DE4445214A1 - System for on=line 3=dimensional fluorescent tomography - Google Patents

System for on=line 3=dimensional fluorescent tomography

Info

Publication number
DE4445214A1
DE4445214A1 DE19944445214 DE4445214A DE4445214A1 DE 4445214 A1 DE4445214 A1 DE 4445214A1 DE 19944445214 DE19944445214 DE 19944445214 DE 4445214 A DE4445214 A DE 4445214A DE 4445214 A1 DE4445214 A1 DE 4445214A1
Authority
DE
Grant status
Application
Patent type
Prior art keywords
fluorescent
laser
transparent
image
dimensional
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19944445214
Other languages
German (de)
Other versions
DE4445214C2 (en )
Inventor
Gerhard Prof Dr Mueller
Olaf Dipl Phys Minet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
LASER- UND MEDIZIN-TECHNOLOGIE GGMBH, 12207 BERLIN
Original Assignee
Laser-Medizin-Zentrum Berlin 12207 Berlin De GmbH
BERLIN LASER MEDIZIN ZENTRUM
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using infra-red, visible or ultra-violet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6452Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0071Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by measuring fluorescence emission
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0073Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by tomography, i.e. reconstruction of 3D images from 2D projections
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0082Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes
    • A61B5/0084Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using infra-red, visible or ultra-violet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/6456Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0082Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes
    • A61B5/0084Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters
    • A61B5/0086Detecting, measuring or recording for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters using infra-red radiation
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using infra-red, visible or ultra-violet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/47Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/4795Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium

Abstract

An apparatus for determining the three-dimensional distribution of centres of fluorescence in non-transparent media comprises a variable frequency laser source (1) for irradiating a sample (3) via a stop (2) and semi-transparent visor (5).The fluorescent response from the element (4) is reflected by the mirror (5) together with seater components from the laser beam affording an optical reference scale for the fluorescent rays focused by the lens (6) aperture (7) and registered by the detector module (8) for display at the image compilation unit (9).The system enables a 3D tomographic image to be generated as a result of variable intensity irradiation and multiple viewing/detection positions for laser wavelengths 300 to 3000 nm.

Description

1. Aufgabenstellung 1 Task

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Fluoreszenzzentren in trüben Medien bei vergleichsweise geringem Aufwand zu schaffen. The invention has for its object to provide a device for determining the spatial distribution of fluorescence centers in turbid media with comparatively little effort. Bei ähnlicher aufgabengemäßer Grundlösung sollen verschiedene Vorrichtungsausführungen als Baugruppen die Skalierung der Fluoreszenzstrahlung mittels der Rückstreuung der Anregungsstrahlung und die tomographische Rekonstruktion von Fluoreszenzbildern gestatten. In a similar task according basic solution, various apparatus embodiments should allow as modules, the scaling of the fluorescent radiation by means of the back-scattering of the excitation radiation and the tomographic reconstruction of fluorescence images. Anwendungsfelder stellen ua typischerweise die labormäßige als auch die verfahrenstechnische Analytik sowie die medizinische Diagnostik mittels körpereigener als auch angereicherter Fluoreszenzfarbstoffe dar. Fields of application are, inter alia typically represents the Labware as well as the procedural analysis and medical diagnostics by means of endogenous as well as enriched fluorescent dyes.

2. Stand der Technik 2. Prior Art

Es ist bekannt, daß die Intensität der Fluoreszenzstrahlung mit der Konzentration des Fluorophors im bestrahlten Volumen ansteigt. It is known that the intensity of fluorescence increases with the concentration of the fluorophore in the irradiated volume. Bei Medien mit unveränderlichen optischen Eigenschaften und Brechungsindices wird durch Eichung oder Modellierung die Konzentration zur Intensität skaliert. For media with invariable optical characteristics and refractive indices, the concentration is scaled to the intensity by calibration or modeling.

Unabhängig davon, ob eine Faser oder ein flächenförmiger Detektor zur Registrierung der Fluoreszenzstrahlung verwendet wird, war es bisher nicht möglich, mit einfachen Methoden (kontinuierliche Bestrahlung und Detektion im Unterschied zur erheblich aufwendigeren zeitaufgelösten Methode) Informationen über die Entfernung der Floureszenzzentren zum Detektor zu erhalten. Regardless of whether a fiber or a sheet-like detector is used for registering the fluorescence radiation, it has been impossible to obtain information about the distance of Floureszenzzentren to the detector with simple methods (continuous irradiation and detection in contrast to the much more complex time-resolved method). Bekannte Anordnungen sind lediglich dazu geeignet, die Konzentration des Fluorophors als Mittelwert über das gesamte angeregte Volumen zu messen. Known arrangements are only suitable to measure the concentration of the fluorophore as an average over the entire excited volume. Eine räumliche Darstellung der Fluoreszenzverteilung in streuenden Medien ist nicht möglich. A spatial representation of the fluorescence distribution in scattering media is not possible.

Des weiteren tritt durch veränderliche optische Eigenschaften des Mediums eine Störung des Fluoreszenzsignals auf. Furthermore, there occurs a disturbance of the fluorescent signal by varying optical properties of the medium.

3. Erfindungsgemäße Lösung Solution 3. Inventive

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von Detektoren unterschiedlicher Querschnitte und verschiedener numerischer Aperturen die gemessene Intensität der Fluoreszenzstrahlung prozentual unterschiedlich auf Fluoreszenzzentren verschiedener Entfernungen verteilt ist. Surprisingly, it has been found that by using detectors of different cross sections and different numerical apertures, the measured fluorescence intensity is different percentage distributed fluorescence centers of different distances.

Des weiteren sind die Veränderung der Rückstrahlintensität des Anregungslichtes Informationen über veränderte optische Eigenschaften und optische Ankopplungsbedingungen enthalten. Furthermore, the change in the reserve beam intensity of the excitation light includes information on changes optical properties and optical coupling conditions.

Erfindungsgemäß wird das zu untersuchende trübe Medium, das sowohl fester, flüssiger als auch gasförmiger Natur sein kann, durch eine Quelle bekannter Geometrie mit Licht einer oder mehrerer Wellenlängen angeregt. According to the invention, the turbid medium to be examined, which can be either solid, liquid and gaseous nature, excited by a source of known geometry with light of one or more wavelengths.

Die Anregungsstrahlung sowie die Fluoreszenzstrahlung werden von einer prinzipiell beliebigen Anzahl von Detektoren mit prinzipiell beliebiger individueller Konfiguration (z. B. CCD-Kameras oder einzelne Fasern bzw. Faserbündel) sowohl in Remission als auch, wenn möglich, in Transmission registriert. The excitation radiation and the fluorescence radiation are of a basically any number of detectors in principle any individual configuration (z. B. CCD cameras, or individual fibers or fiber bundles) in both reflectance and, if possible, recorded in transmission. Die Vorrichtung gestattet die Wiederholung der Prozedur bei jeder bekannten Positionierung der Anregungsquelle und der Detektoren, wobei die Detektoranordnung nicht immer starr mit der Anregungsanordnung verbunden ist. The device allows the repetition of the procedure in any known positioning of the excitation source and the detectors, the detector arrangement is not always rigidly connected to the excitation arrangement. Erfindungsgemäß wird die Tatsache genutzt, daß sowohl durch den Querschnitt des Detektors als auch durch seinen Öffnungswinkel (numerische Apertur) eine Selektivität in der räumlichen Entfernung der detektierten Strahlung gezielt erreicht wird. According to the invention utilizes the fact that the selectivity in the spatial distance of the detected radiation is selectively achieved both through the cross section of the detector as well as its opening angle (numerical aperture). Die gesamte Intensität der Fluoreszenzstrahlung setzt sich damit additiv aus Anteilen zusammen, die von Fluoreszenzzentren unterschiedlicher Entfernung ausgehen. The total fluorescence intensity is therefore composed additively from shares together emanating from fluorescent centers different distances.

Eine Trennung dieser Anteile und damit eine Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Konzentration des Fluorophors erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß durch Eichung an Phantomen oder durch numerische Simulationen der Zusammenhang zwischen Konzentration und Fluoreszenzintensität festgestellt wird. a separation of these components and thus a reconstruction of the spatial distribution of the concentration of the fluorophore according to the invention in that it is determined by calibration phantoms or by numerical simulations of the relationship between concentration and fluorescence intensity.

Mathematisch wird dieser Sachverhalt wie folgt beschrieben. Mathematically, this state of affairs as follows. Seien I i die Gesamtintensitäten der Fluoreszenzstrahlung, die vom i-ten Detektor mit einem bestimmten Öffnungsquerschnitt und einer bestimmten Apertur in einer bestimmten Entfernung registriert werden. Let I i is the total intensity of the fluorescence radiation that are registered by the ith detector with a specific opening cross-section and a particular aperture at a certain distance. Diese Intensitäten setzen sich additiv aus Anteilen zusammen, die aus unterschiedlichen räumlichen Entfernungen 1, 2, . These intensities additively from shares, together consisting of different spatial distances. 1, 2 . , . , , n stammen bzw. direkt veschiedenen Voxeln im fluoreszierenden Medium zugeordnet werden können: , N originate or directly veschiedenen voxels in the fluorescent medium can be allocated:

I i = I i,,1 + I i,,2 + . I i = I i + I i ,, 1 ,, 2 +. . , . , I i,,n . I i ,, n.

Diese einzelnen Anteile der Intensität verhalten sich in weiten Bereichen zur Konzentration des Fluorophors proportional: These individual components of intensity are proportional in many areas to the concentration of the fluorophore:

I i,k = g i,k · c k . I i, k = g i, k · c k.

Die Gewichte g sind dabei sowohl abhängig von der Geometrie der Quelle und des Detektors als auch von der Entfernung zum Fluoreszenzzentrum. The weights g are both dependent on the geometry of the source and detector as well as the distance from the fluorescence center. Sie können empirisch durch Eichung an Phantomen oder durch Modellrechnungen bestimmt werden. They can be determined empirically by calibration phantoms or by model calculations. Durch Kombination beider Gleichungen entsteht ein Gleichungssystem, welches die Intensitäten mit den Konzentrationen verknüpft: By combining the two equations, an equation system, which combines the intensities with the concentrations arises:

Dabei ist der Vektor der Intensitäten aus unterschiedlichen Detektoren, die bekannte Matrix der Gewichte und der Vektor der Konzentrationen in unterschiedlichen Entfernungen bzw. Volumenelementen. It is the vector of intensities from different detectors, the known matrix of weights, and the vector of the concentrations at different distances or volume elements.

Erfindungsgemäß soll die Anzahl der gewählten diskreten räumlichen Entfernungen die der unterschiedlich konfigurierten Anordnungen nicht überschreiten, so daß das lineare Gleichungssystem bestimmt bzw. überbestimmt ist. According to the invention is intended to the number of selected discrete spatial distances of the differently configured arrangements not exceed so that the linear equation system is determined or over-determined. Im ersten Fall ist die Lösung eindeutig. In the first case, the solution is clear. Singularitäten sind vom praktischen Standpunkt nicht relevant, da im Interesse der Stabilität der Lösungen die räumliche Unterteilung immer so gewählt werden kann, daß eine Nachbarschaft zu solchen Punkten nicht eintritt. Singularities are not from a practical standpoint relevant as in the interest of stability of the solutions, the spatial separation can always be chosen so that a neighborhood does not occur on such issues.

Bei Wahl einer geringeren Auflösung (Dimension des Vektors kleiner als die des Vektors können die im Sinne des Rekonstruktionsalgorithmus überzähligen Meßwerte mit Hilfe statistischer Methoden zur Rauschunterdrückung verwendet werden. When choosing a lower resolution (the vector dimension smaller than that of the extra vector within the meaning of the measured values ​​reconstruction algorithm can be used with statistical methods for noise suppression.

Außerhalb des linearen Bereiches können quadratische und Abhängigkeiten höherer Ordnung ebenfalls in die Rekonstruktion der räumlichen Fluorophorverteilung einbezogen werden: Outside of the linear range quadratic and higher-order dependencies can also be included in the reconstruction of the spatial Fluorophorverteilung:

I i,k = g¹ i,k · c k + g² i,k · (c k )² + . I i, k = G¹ i, k · c k + g² i, k * (c k) ² +. . , . ,

Die Gewichte höherer Ordnung g² etc. sind empirisch zu bestimmen. The higher-order weights g² etc. are to be determined empirically. Das so entstehende neue Gleichungssystem wird ebenfalls mit bekannten Methoden der numerischen Mathematik invertiert. The thus created new equations is also inverted with known methods of numerical mathematics.

Es sollen sowohl technische Realisierungen betrachtet werden, die durch einzelne Detektoren physikalisch als auch nach Registrierung mit großen Aperturen synthetisch erzeugt werden. It should be considered that are produced synthetically by individual detectors physically and after registering with large apertures both technical implementations. Dabei ist es gleichgültig, ob mehrere Detektoren gleichzeitig oder ein Detektor unterschiedlich positioniert und ausgerichtet und zeitlich nacheinander zur Messung verwendet wird, solange nur die einzelnen Positionen mit denjenigen in der Eichmatrix festgelegten Positionen übereinstimmen. It is immaterial whether a plurality of detectors at the same or a different detector is positioned and aligned and used sequentially in time for the measurement, as long as only the individual positions correspond to those specified in the calibration matrix positions.

Somit ist es möglich, quantitativ aus den Intensitäten die Konzentrationsanteile gemäß einer gewählten Auflösung zu rekonstruieren. Thus, it is possible to reconstruct quantitatively from the intensities of the concentration of shares according to a selected resolution. Die maximale Auflösung ist dabei durch Zahl der insgesamt (faktisch oder synthetisch) realisierten Detektoren bestimmt. The maximum resolution is determined by the total number of (actual or synthetic) realized detectors.

Die aufwendige Technik der Separation von Laufzeiteffekten mit Hilfe von Korrelationsmethoden wird so durch eine einfache Methode ersetzt. The sophisticated technology of the separation of run-time effects using correlation techniques is thus replaced by a simple method.

Des weiteren beeinflussen die optischen Eigenschaften sowohl die Ausbreitung der Anregungs- als auch der Fluoreszenstrahlung. Furthermore, the optical properties influence both the spread of excitation and the fluorescence radiation. Wiederum können durch Eichung an Phantomen oder Modellrechnungen der Einfluß von räumlichen oder zeitlichen Schwankungen dieser Parameter zur Korrektur der Skalierung der Konzentration des Fluorophors über den Fluoreszenzintensität bestimmt werden. Again, the influence of spatial or temporal variations in these parameters for correcting the scale of the concentration of the fluorophore can be determined via the fluorescence intensity by calibration phantoms or model calculations.

In einem bevorzugten Anwendungsbeispiel werden deshalb in einem Faserbündel sowohl die rückgestreute Anregungsstrahlung als auch die Fluoreszenzstrahlung bei einer oder mehreren Anregungswellenlängen mit einer beliebigen Anzahl von optischen Fasern bekannter numerischer Apertur registriert. Therefore, both the back-scattered excitation radiation and the fluorescence radiation are registered with one or more excitation wavelengths with any number of optical fibers of known numerical aperture in a fiber bundle in a preferred application example. Diese Signale werden einzeln ausgelesen und in einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgewertet. These signals are read out and evaluated individually in a central processing unit.

In einem weiteren Anwendungsbeispiel werden mittels einer räumlich frei positionierbaren Quelle und einer oder mehreren frei positionierbaren Kameras (flying optics) mit veränderlichem Öffnungsquerschnitt (Motorblende) in prinzipiell beliebig vielen Konfigurationen die verschiedenen Intensitäten registriert. In another application example, by means of a freely positionable spatially source and one or more freely positionable cameras (flying optics) with variable opening cross-section (engine stop) registers the different intensities in principle, any number of configurations. Diese Signale werden einzeln ausgelesen und in einer zentralen Verarbeitungseinheit auch hinsichtlich synthetisch erzeugter Aperturen ausgewertet. These signals are read out and evaluated individually in respect of a central processing unit also synthetically generated apertures.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims and will be described in more detail below together with the description of embodiments of the invention with reference to FIGS.

Es sind There are

Fig. 1a und b: Eine schematische Darstellung der Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich der Anordnung der Baugruppen zur Anfertigung von tomographischen Rekonstruktionen. Figs. 1a and b: a schematic representation of the applications of the device according to the invention including the arrangement of modules for the production of tomographic reconstructions.

Fig. 2: Eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einer Ausführungsform. Fig. 2: A schematic representation of the apparatus in an embodiment.

Fig. 3: Eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einer bevorzugten technischen Ausführungsform. Fig. 3: A schematic representation of the apparatus in a preferred technical embodiment.

Fig. 1a und b zeigen eine prinzipielle Darstellung aller Ausführungsformen der Vorrichtung. Fig. 1a and b show a schematic representation of all embodiments of the apparatus. Die Probe ( 3 ) wird über die Quelle ( 1 ) beleuchtet. The sample (3) is illuminated by the source (1). Die von Fluoreszenzzentren ( 4 ) ausgehende Fluoreszenzstrahlung wird über die Optik ( 6 ) auf einen Detektor ( 8 ), der mit einer Signalauswertung incl. Bildrekonstruktionseinheit ( 9 ) verbunden ist, abgebildet. The fluorescence centers (4) outgoing fluorescent radiation is on the optical system (6) onto a detector (8) which is connected to a signal evaluation incl. Reconstruction unit (9) as shown. Sowohl die Blende für die Beleuchtung ( 2 ) als auch die für die Fluoreszenzstrahlung ( 7 ) sind voneinander unabhängig variabel gestaltet. Both the aperture for illumination (2) as well as for the fluorescence radiation (7) are designed, independently of one another variable. Außerdem ist die Position und die Blickrichtung der gesamten Optik frei wählbar. In addition, the position and viewing direction of the entire optical system is arbitrary. Der unterschiedliche Effekt unterschiedlicher Anregungsintensitäten durch Wahl der Eingangsblende ist in den beiden Abbildungen deutlich erkennbar. The different effect of different excitation intensities by selecting the input panel is clearly visible in the two figures.

In Fig. 2 wird schematisch der Aufbau und die Anwendungd der Vorrichtung gezeigt. In FIG. 2, the structure and Anwendungd of the device is shown schematically. Gleichzeitig wird aus den angeordneten Baugruppen ebenfalls die prinzipielle Wirkungsweise in einer weiteren Realisierung deutlich. At the same time the principle of operation in another implementation is also clear from the arranged components.

Das zu untersuchende Medium ( 1 ) wird über eine optische Faser ( 5 ) mit Hilfe einer abstimmbaren Lichtquelle ( 2 ) bestrahlt. The medium to be examined (1) is irradiated through an optical fiber (5) by means of a tunable light source (2). Über geeignet applizierte Fasern ( 6 ) wird die empfangene Strahlung zu einem optischen Mehrkanalanalysator ( 3 ) geleitet. Via suitably applied fibers (6), the received radiation is guided to an optical multichannel analyzer (3). Die Signalauswertung und die Bildrekonstruktion erfolgt in einer Auswerteeinheit ( 4 ). The signal processing and image reconstruction is carried out in an evaluation unit (4).

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung gestattet die Anfertigung von tomographischen Schnittbildern hinsichtlich der Konzentration von Fluorophoren in ausgedehnten Medien. The embodiment of the device shown in Fig. 3 permits the production of tomographic section images with respect to the concentration of fluorophores in extended media. Dabei kann es sich z. This can be for. B. um Flüssigkeiten oder um biologische Objekte handeln. B. be liquids or biological objects. Ein Ausschnitt ( 1 ) wird über ein Faserbündel ( 3 ) mit Licht bestrahlt, daß in einer integrierten Baugruppe ( 4 ) erzeugt wird. A section (1) is irradiated over a fiber bundle (3) with light that in an integrated module (4) is generated. Über das gleiche Faserbündel wird die gesamte remittierte Strahlung in diese Baugruppe geleitet und analysiert. Over the same fiber bundle, the entire diffusely reflected radiation is directed into this assembly and analyzed. Die Signalauswertung und Bildrekonstruktion erfolgt wieder in der Auswerteeinheit ( 5 ). The signal processing and image reconstruction is carried out again in the evaluation unit (5). Dabei erfolgt anwendungsgemäß eine sukzessive Abtastung der Oberfläche in unterschiedlichen Blickrichtungen. application is carried out according to a successive scan of the surface in different directions of view. Bei gleichzeitiger Registrierung der Position und Orientierung des Faserbündels und der Verarbeitung dieser Werte in ( 5 ) wird so ein Gesamtbild der Fluorophorverteilung im Objekt aus Einzelbildern rekonstruiert. With simultaneous registration of the position and orientation of the fiber bundle and the processing of these values in (5) an overall picture of Fluorophorverteilung is so reconstructed in the object frames. Diese Ausführungsform ist besonders als robuste und handliche technische Variante des Gerätes, z. This embodiment is particularly robust and handy than technical variant of the device, eg. B. für den mobilen Einsatz, geeignet. As for mobile use, suitable.

Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel stellt die medizinische Diagnostik unter Verwendung der Ausführungsform aus Fig. 3 unter Anwendung z. A preferred application example, the medical diagnostic use with the embodiment of Fig. 3 using z. B. von Indocyanin ( 2 a und b) dar. Dieser Farbstoff wird bei ca. 740 nm angeregt und die Fluoreszenzstrahlung besitzt eine Wellenlänge von ca. 785 nm. Biologische Gewebe kann in diesem Spektralbereich relativ tief (bis 10 mm) durchstrahlt werden. B. indocyanine (2 a and b). This dye is excited at about 740 nm and the fluorescent radiation has a wavelength of about 785 nm. Biological tissues can be irradiated relatively low in this spectral range (up to 10 mm). Die Detektion erfolgt über ein Multifaserbündel ( 3 ). The detection is performed via a multi-fiber bundle (3). Bei der ersten Aufnahme wird beispielsweise der innere Ring des Faserbündels ( 3 a) zur Anregung und Detektion verwendet. For the first shot, for example, the inner ring of the fiber bundle (3 a) is used for excitation and detection. Wie schon in den Fig. 1a und b ersichtlich, gelingt es erfindungsgemäß die Fluoreszenzmarkerkonzentration ( 2 a) zu detektieren. As in Fig. 1a and b can be seen, it is possible according to the invention to detect the fluorescence marker concentration (2 a). Die Wahl der Apertur und die Verteilung von Anregungs- und Fluoreszenzstrahlung wird in der Baugruppe ( 4 ) in bekannter Art und Weise realisiert. The choice of the aperture and the distribution of excitation and fluorescent radiation is realized in the module (4) in a known manner. In einem zweiten Schritt erfolgt die Anregung und Detektion über die durch den äußeren Faserring aufgespannte Apertur ( 3 b). In a second step, the excitation and detection is performed on the plane spanned by the outer fiber ring aperture (3 b). Wie ebenfalls aus dem Grundprinzip in Fig. 1a und b ersichtlich, werden dabei die Markerkonzentration ( 2 a und b) erfaßt. As also the basic principle in Fig. 1a and b can be seen, while the marker concentration (2 a and b) detected. Die Baugruppe ( 5 ) rekonstruiert erfindungsgemäß das Fluoreszenzbild. The assembly (5) reconstructed according to the invention the fluorescent image. Das Diagnoseverfahren liefert on-line Ergebnisse und belastet den Patienten nicht durch ionisierende Strahlung. The diagnostic method delivers on-line results and does not burden the patient to ionizing radiation. Das Verfahren kann in diesem Beispiel auch endoskopisch in der Tumordiagnostik, im Stoffwechselmonitoring und in der Fluoreszenzangiographie angewandt werden. The method can be applied in this example also endoscopically in tumor diagnostics, metabolic monitoring and fluorescein angiography.

Die mit dem Verfahren verbundenen Methoden der Bildsynthese sind im Unterschied zu den Methoden der Dichterekonstruktion innerhalb des Blickfeldes eines Detektors von dieser Vorrichtung getrennt zu betrachten. The costs associated with the process methods of imaging should be considered separately, in contrast to the methods of reconstruction density within the field of view of a detector of this device. Insbesondere können jedoch mit Hilfe aller Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung Schnittbilder des zu untersuchenden Körpers hinsichtlich der räumlichen Verteilung von Fluorophoren gewonnen werden. but in particular can be obtained with regard to the spatial distribution of fluorophores with the aid of all embodiments of the device according to sectional images of the body under examination.

Claims (6)

  1. 1. Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung und Rekonstruktion räumlicher Verteilungen von Fluoreszenzstoffen dadurch gekennzeichnet , 1. A method and apparatus for determining and reconstructing the spatial distribution of fluorescent materials characterized in
    • - die Anregung mit Licht einer Wellenlänge zwischen 300 und 3000 nm erfolgt, - the excitation is carried out with light having a wavelength between 300 and 3000 nm,
    • - sowohl die remittierte Anregungsstrahlung als auch die Fluoreszenzstrahlung mit beliebig positionierten Detektoren unterschiedlicher Öffnungscharakteristik (Durchmesser und numerische Apertur) efolgt, - both the diffusely reflected excitation radiation and the fluorescence radiation with arbitrarily positioned detectors of different opening characteristics (diameter and numerical aperture) efolgt,
    • - eine Korrektur der Skalierung der Fluorophorkonzentration mit Hilfe der unmittelbar rückgestreuten Strahlung erfolgt sowie, - a correction of the scaling of the fluorophore with the aid of the immediately backscattered radiation, and,
    • - eine räumliche Rekonstruktion der Fluoreszenzverteilung durch Verarbeitung der Signale aus verschiedenen Detektoren erfolgt. - takes place a spatial reconstruction of the fluorescence distribution by processing the signals from different detectors.
  2. 2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Anregung als die Detektion über ein Faserbündel erfolgt. 2. The method and device according to claim 1, characterized in that both the excitation is carried out as the detection via a fiber bundle.
  3. 3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale aus verschiedenen Detektoren einzeln in den Rekonstruktionsalgorithmus eingehen oder zur Berechnung einer synthetischen Apertur genutzt werden. 3. The method and apparatus according to claim 1, characterized in that the signals from different detectors respond individually or in the reconstruction algorithm used to calculate a synthetic aperture.
  4. 4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenzkonzentration nicht nur im linearen Bereich rekonstruiert werden soll. 4. The method and apparatus according to claim 1, characterized in that the fluorescence concentration is to be reconstructed not only in the linear region.
  5. 5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bilder, die durch unterschiedliche Positionierung der Strahlquelle und der Detektoren entstehen, zu einem Gesamtbild kombiniert werden. 5. The method and apparatus according to claim 1, characterized in that images, which are caused by different positioning of the radiation source and the detectors are combined to form an overall image.
  6. 6. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bilder, die bei unterschiedlichen Anregungswellenlängen gewonnen wurden, geeignet kombiniert werden (z. B. als Subtraktionsbild). 6. The method and apparatus according to claim 1, characterized in that images obtained at different excitation wavelengths can be combined as appropriate (for. Example, as a subtraction image).
DE19944445214 1994-12-17 1994-12-17 A method for determining and reconstructing the spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and apparatus for carrying out the method Expired - Fee Related DE4445214C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19944445214 DE4445214C2 (en) 1994-12-17 1994-12-17 A method for determining and reconstructing the spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and apparatus for carrying out the method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19944445214 DE4445214C2 (en) 1994-12-17 1994-12-17 A method for determining and reconstructing the spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and apparatus for carrying out the method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE4445214A1 true true DE4445214A1 (en) 1996-06-20
DE4445214C2 DE4445214C2 (en) 2000-06-29

Family

ID=6536218

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19944445214 Expired - Fee Related DE4445214C2 (en) 1994-12-17 1994-12-17 A method for determining and reconstructing the spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and apparatus for carrying out the method

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE4445214C2 (en)

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19923822A1 (en) * 1999-05-19 2000-11-23 Zeiss Carl Jena Gmbh Optical scanning configuration for detecting fluorescent light and for suppressing stray light arising from an illuminated test detected through a lens creates a shaded area for stray light in a focal plane.
EP1369086A1 (en) * 2001-03-14 2003-12-10 Hamamatsu Photonics K.K. Breast carcinoma detector
WO2003102558A1 (en) 2002-06-04 2003-12-11 Visen Medical, Inc. Imaging volumes with arbitrary geometries in contact and non-contact tomography
DE102004009657A1 (en) * 2004-02-27 2005-06-09 Siemens Ag Device for optical tomography used in biotechnology comprises optical sensors fixed to support having positioning element to be introduced into lumen of patient being investigated
DE102004009656A1 (en) * 2004-02-27 2005-06-09 Siemens Ag Device for optical tomography used in biotechnology comprises support having optical sensors to be placed on different sites of body being investigated and accessed via positioning element
DE102004009655A1 (en) * 2004-02-27 2005-06-09 Siemens Ag Device for optical fluorescence tomography used in biotechnology comprises optical sensors arranged on support which is adapted by deforming to outer contour of body of patient being investigated, and positioning sensors
DE10357184A1 (en) * 2003-12-08 2005-07-07 Siemens Ag Combination of different images relating to bodily region under investigation, produces display images from assembled three-dimensional fluorescence data image set
WO2006123967A3 (en) * 2005-05-18 2007-03-22 Andrey Alexeevich Klimov Fluorescent nanoscopy method
DE102006038161A1 (en) * 2006-08-16 2008-02-28 Siemens Ag Imaging device for fluorescence imaging of e.g. mouse, has mirror arrangement with mirror for deflecting emission light from investigation region for image recording device such that images of investigation region are recordable
US7647091B2 (en) 2003-02-05 2010-01-12 The General Hospital Corporation Method and system for free space optical tomography of diffuse media
US7750315B2 (en) 2005-03-18 2010-07-06 Siemens Aktiengesellschaft Apparatus for generating 3D fluorescence or luminescence

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012100098A1 (en) * 2012-01-06 2013-07-11 Becker & Hickl Gmbh Method for recording temporal changes in fluorescence decay function along line in spatial sample, involves determining distance along line for photons, and times within laser-pulse period and of any event within/outside sample

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3037983C2 (en) * 1980-10-08 1983-03-31 Fa. Carl Zeiss, 7920 Heidenheim, De
DE3718202C1 (en) * 1987-05-29 1988-11-17 Wolfgang Prof Dr Lohmann Arrangement for measuring a state value of Organic Gewebeflaechen
US5022757A (en) * 1989-01-23 1991-06-11 Modell Mark D Heterodyne system and method for sensing a target substance
DE4026821A1 (en) * 1990-08-24 1992-03-05 Philips Patentverwaltung A method of detecting anomalies of the skin, particularly melanomas, as well as apparatus for carrying out the method
WO1993005386A1 (en) * 1991-08-29 1993-03-18 Helmut Scharsching Process for large surface measurement of the amount of thawing agents on traffic areas

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3037983C2 (en) * 1980-10-08 1983-03-31 Fa. Carl Zeiss, 7920 Heidenheim, De
DE3718202C1 (en) * 1987-05-29 1988-11-17 Wolfgang Prof Dr Lohmann Arrangement for measuring a state value of Organic Gewebeflaechen
US5022757A (en) * 1989-01-23 1991-06-11 Modell Mark D Heterodyne system and method for sensing a target substance
DE4026821A1 (en) * 1990-08-24 1992-03-05 Philips Patentverwaltung A method of detecting anomalies of the skin, particularly melanomas, as well as apparatus for carrying out the method
WO1993005386A1 (en) * 1991-08-29 1993-03-18 Helmut Scharsching Process for large surface measurement of the amount of thawing agents on traffic areas

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Rev.Sci.Instrum., 57, 1986, S. 2339-2342 *

Cited By (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6809324B1 (en) 1999-05-19 2004-10-26 Carl Zeiss Jena Gmbh Scanning device, especially for detecting fluorescent light
DE19923822A1 (en) * 1999-05-19 2000-11-23 Zeiss Carl Jena Gmbh Optical scanning configuration for detecting fluorescent light and for suppressing stray light arising from an illuminated test detected through a lens creates a shaded area for stray light in a focal plane.
US7725170B2 (en) 2001-03-14 2010-05-25 Hamamatsu Photonics K.K. Breast carcinoma detector
EP1369086A1 (en) * 2001-03-14 2003-12-10 Hamamatsu Photonics K.K. Breast carcinoma detector
EP1369086A4 (en) * 2001-03-14 2006-09-06 Hamamatsu Photonics Kk Breast carcinoma detector
EP2410315A3 (en) * 2002-06-04 2014-07-30 Visen Medical, Inc. Imaging Volumes with Arbitrary Geometries in Contact and Non-Contact Tomography
US8948852B2 (en) 2002-06-04 2015-02-03 Visen Medical, Inc. Imaging volumes with arbitrary geometries in non-contact tomography
US8812088B2 (en) 2002-06-04 2014-08-19 Visen Medical, Inc. Imaging volumes with arbitrary geometries in contact and non-contact tomography
WO2003102558A1 (en) 2002-06-04 2003-12-11 Visen Medical, Inc. Imaging volumes with arbitrary geometries in contact and non-contact tomography
US8170651B2 (en) 2002-06-04 2012-05-01 Visen Medical, Inc. Imaging volumes with arbitrary geometries in non-contact tomography
US7647091B2 (en) 2003-02-05 2010-01-12 The General Hospital Corporation Method and system for free space optical tomography of diffuse media
US7962200B2 (en) 2003-02-05 2011-06-14 The General Hospital Corporation Method and system for free space optical tomography of diffuse media
US8326406B2 (en) 2003-02-05 2012-12-04 The General Hospital Corporation Method and system for free space optical tomography of diffuse media
DE10357184A1 (en) * 2003-12-08 2005-07-07 Siemens Ag Combination of different images relating to bodily region under investigation, produces display images from assembled three-dimensional fluorescence data image set
US8538504B2 (en) 2003-12-08 2013-09-17 Martin Kleen Method for merging medical images
DE102004009655A1 (en) * 2004-02-27 2005-06-09 Siemens Ag Device for optical fluorescence tomography used in biotechnology comprises optical sensors arranged on support which is adapted by deforming to outer contour of body of patient being investigated, and positioning sensors
DE102004009656A1 (en) * 2004-02-27 2005-06-09 Siemens Ag Device for optical tomography used in biotechnology comprises support having optical sensors to be placed on different sites of body being investigated and accessed via positioning element
DE102004009657A1 (en) * 2004-02-27 2005-06-09 Siemens Ag Device for optical tomography used in biotechnology comprises optical sensors fixed to support having positioning element to be introduced into lumen of patient being investigated
US7750315B2 (en) 2005-03-18 2010-07-06 Siemens Aktiengesellschaft Apparatus for generating 3D fluorescence or luminescence
CN101228428B (en) 2005-05-18 2012-11-07 斯蒂尔奥尼克国际公司 Fluorescence microscopy nano
US8334143B2 (en) 2005-05-18 2012-12-18 Stereonic International, Inc. Fluorescent nanoscopy method
US8110405B2 (en) 2005-05-18 2012-02-07 Stereonic International, Inc. Fluorescent nanoscopy method
US8668872B2 (en) 2005-05-18 2014-03-11 Super Resolution Technologies Llc Fluorescent nanoscopy device and method
US7803634B2 (en) 2005-05-18 2010-09-28 Andrey Alexeevich Klimov Fluorescent nanoscopy method
WO2006123967A3 (en) * 2005-05-18 2007-03-22 Andrey Alexeevich Klimov Fluorescent nanoscopy method
US9028757B2 (en) 2005-05-18 2015-05-12 Super Resolution Technologies Llc Fluorescent nanoscopy device and method
DE102006038161A1 (en) * 2006-08-16 2008-02-28 Siemens Ag Imaging device for fluorescence imaging of e.g. mouse, has mirror arrangement with mirror for deflecting emission light from investigation region for image recording device such that images of investigation region are recordable

Also Published As

Publication number Publication date Type
DE4445214C2 (en) 2000-06-29 grant

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hillman et al. Laminar optical tomography: demonstration of millimeter-scale depth-resolved imaging in turbid media
US5419320A (en) Method and apparatus for obtaining an image indicating metabolism in a body
GRATTON et al. Feasibility of intracranial near‐infrared optical scanning
US4397556A (en) Material-testing method and apparatus
Xu et al. Absorption and scattering images of heterogeneous scattering media can be simultaneously reconstructed by use of dc data
US20090240138A1 (en) Diffuse Optical Tomography System and Method of Use
DE102008054317A1 (en) combining microscopy
Giavazzi et al. Scattering information obtained by optical microscopy: differential dynamic microscopy and beyond
DE10118463A1 (en) Depth-resolved optical imaging method for use in biological scanning microscopy, uses phase or frequency modulation of the imaging light
WO2006130797A2 (en) Spectral encoding heterodyne interferometry techniques for imaging
DE19624421A1 (en) Wave front deformation from object spatially resolved measurement arrangement
US20100045778A1 (en) Vessel imaging system
EP1308715A1 (en) Method in the field of fluorescence microscopy for analysing samples having fluorophores
EP0167877A2 (en) Apparatus for imaging sections of the human eye
Leblond et al. Early-photon fluorescence tomography: spatial resolution improvements and noise stability considerations
DE102007017598A1 (en) Method and apparatus for positioning a light sheet in the focal plane of a detection optical system
US20070274580A1 (en) Method and system for tomographic imaging using fluorescent proteins
DE19757106A1 (en) Topometer for reflective surfaces
EP0056426A2 (en) Device for the presentation of parameters of a sample
US20080045848A1 (en) Method and System for Measuring the Speed of Blood Flow
DE19632594A1 (en) Confocal microscopy method using refractive microlens fields
US7142304B1 (en) Method and system for enhanced imaging of a scattering medium
DE19722790A1 (en) Laser scanning ophthalmoscope
EP0116321A2 (en) Infrared spectrometer
DE4031320A1 (en) Optical body fluid or tissue examination device - evaluates intensity or spectral variation between incident and diffused light

Legal Events

Date Code Title Description
8110 Request for examination paragraph 44
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: LASER- UND MEDIZIN-TECHNOLOGIE GGMBH, 12207 BERLIN

D2 Grant after examination
8364 No opposition during term of opposition
8339 Ceased/non-payment of the annual fee