DE4445214C2 - Verfahren zur Bestimmung und Rekonstruktion räumlicher Verteilungen und Intensitäten von Fluoreszenzfarbstoffen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Bestimmung und Rekonstruktion räumlicher Verteilungen und Intensitäten von Fluoreszenzfarbstoffen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

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Description

Es ist bekannt, daß die Intensität der Fluoreszenzstrahlung mit der Konzentration des Fluorophors im bestrahlten Volumen ansteigt. Bei Medien mit unveränderlichen optischen Eigenschaften und Brechungsindices wird durch Kalibrierung oder Modellierung die Konzentration zur Intensität skaliert.
Unabhängig davon, ob eine Faser oder ein flächenförmiger Detektor zur Registrie­ rung 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 Entfer­ nung der Fluoreszenzzentren zum Detektor zu erhalten. Bekannte Anordnungen sind lediglich dazu geeignet, die Konzentration des Fluorophors als Mittelwert über das gesamte angeregte Volumen zu messen. Eine räumliche Darstellung der Fluo­ reszenzverteilung in streuenden Medien ist nicht möglich.
Des weiteren tritt durch veränderliche optische Eigenschaften des Mediums eine Störung des Fluoreszenzsignals auf.
Aus US 5 022 757 ist es bekannt, die räumliche Verteilung von Fluoreszenzstoffen durch Laserstrahlung scannend abzutasten. Die Abtasung erfolgt hierbei jedoch punktweise nacheinander, so daß der Erhalt eines Gesamtbildes zeitaufwendig ist. Außerdem müssen zur räumlichen Abtastung sich jeweils zwei Laserstrahlen in einem Raumpunkt überlagern.
Ferner ist aus DE 37 18 202 C1 die Abbildung von Fluoreszenzstoffen mit einer Videokamera bekannt. Hierbei fehlt jedoch die Möglichkeit einer räumlichen Darstellung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Fluoreszenzzentren in trüben Medien bei vergleichsweise geringem Aufwand zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 7 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Bei ähnlicher aufgabengemäßer Grundlösung sollen verschiedene Vorrichtungsaus­ führungen als Baugruppen die Skalierung der Fluoreszenzstrahlung mittels der Rückstreuung der Anregungsstrahlung und die tomographische Rekonstruktion von Fluoreszenzbildern gestatten. Anwendungsfelder stellen u. a. typischerweise die labormäßige als auch die verfahrenstechnische Analytik sowie die medizinische Diagnostik mittels körpereigener als auch angereicherter Fluoreszenzfarbstoffe dar.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von Detektoren unterschiedlicher Querschnitte und verschiedener numerischer Aperturen die ge­ messene Intensität der Fluoreszenzstrahlung prozentual unterschiedlich auf Fluoreszenzzentren verschiedener Entfernungen verteilt ist.
Des weiteren sind in der Veränderung der Rückstrahlintensität des Anregungslichtes Informationen über veränderte optische Eigenschatten und optische Ankopp­ lungsbedingungen enthalten.
Erfindungsgemäß wird das zu untersuchende trübe Medium, das sowohl fester, flüssiger als auch gasförmiger Natur sein kann, durch eine Quelle bekannter Geo­ metrie mit Licht einer oder mehrerer Wellenlängen angeregt.
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. 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. Erfindungsgemäß wird die Tatsache genutzt, daß sowohl durch den Querschnitt des Detektors als auch durch seinen Öffnungs­ winkel (numerische Apertur) eine Selektivität in der räumlichen Entfernung der detektierten Strahlung gezielt erreicht wird. Die gesamte Intensität der Fluoreszenz­ strahlung setzt sich damit additiv aus Anteilen zusammen, die von Fluoreszenzzen­ tren unterschiedlicher Entfernung ausgehen.
Eine Trennung dieser Anteile und damit eine Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Konzentration des Fluorophors erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß durch Kalibrierung an Phantomen oder durch numerische Simulationen der Zusammenhang zwischen Konzentration und Fluoreszenzintensität festgestellt wird.
Mathematisch wird dieser Sachverhalt wie folgt beschrieben. Seien Ii die Gesamtintensitäten der Fluoreszenzstrahlung, die vom i-ten Detektor mit einem be­ stimmten Öffnungsquerschnitt und einer bestimmten Apertur in einer bestimmten Entfernung registriert werden. Diese Intensitäten setzen sich additiv aus Anteilen zusammen, die aus unterschiedlichen räumlichen Entfernungen 1, 2, ..., n stammen bzw. direkt veschiedenen Voxeln im fluoreszierenden Medium zugeordnet werden können:
Ii = Ii,1 + Ii,2 + . . . + Ii,n
Diese einzelnen Anteile der Intensität verhalten sich in weiten Bereichen zur Konzentration des Fluorophors proportional:
Ii,k = gi,k . ck.
Die Gewichte g sind dabei sowohl abhängig von der Geometrie der Quelle und des Detektors als auch von der Entfernung zum Fluoreszenzzentrum. Sie können empirisch durch Kalibrierung an Phantomen oder durch Modellrechnungen bestimmt werden. Durch Kombination beider Gleichungen entsteht ein Gleichungssystem, welches die Intensitäten mit den Konzentrationen verknüpft:
I = G × c
Dabei ist I der Vektor der Intensitäten aus unterschiedlichen Detektoren, G die bekannte Matrix der Gewichte und c der Vektor der Konzentrationen in unter­ schiedlichen Entfernungen bzw. Volumenelementen.
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. Im ersten Fall ist die Lösung eindeutig. 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.
Bei Wahl einer geringeren Auflösung (Dimension des Vektors c kleiner als die des Vektors I) können die im Sinne des Rekonstruktionsalgorithmus überzähligen Meßwerte mit Hilfe statistischer Methoden zur Rauschunterdrückung verwendet werden.
Außerhalb des linearen Bereiches können quadratische und Abhängigkeiten höherer Ordnung ebenfalls in die Rekonstruktion der räumlichen Fluorophorverteilung einbezogen werden:
Ii,k = gi,k . (ck) + g2 i,k . (ck)2 + ...
Die Gewichte höherer Ordnung g2 etc. sind empirisch zu bestimmen. Das so entstehende neue Gleichungssystem wird ebenfalls mit bekannten Methoden der numerischen Mathematik invertiert.
Es sollen sowohl technische Realisierungen betrachtet werden, die durch einzelne Detektoren physikalisch als auch nach Registrierung mit großen Aperturen syn­ thetisch erzeugt werden. 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 Matrix G festgelegten Positionen übereinstimmen.
Somit ist es möglich, quantitativ aus den Intensitäten die Konzentrationsanteile gemäß einer gewählten Auflösung zu rekonstruieren. Die maximale Auflösung ist dabei durch Zahl der insgesamt (faktisch oder synthetisch) realisierten Detektoren bestimmt.
Die aufwendige Technik der Separation von Laufzeiteffekten mit Hilfe von Korrelationsmethoden wird so durch eine einfache Methode ersetzt.
Des weiteren beeinflussen die optischen Eigenschaften sowohl die Ausbreitung der Anregungs- als auch der Fluoreszenzstrahlung. Wiederum können durch Kalibrierung an Phantomen oder Modellrechnungen der Einfluß von räumlichen oder zeitlichen Schwankungen dieser Parameter zur Korrektur der Skalierung der Konzentration des Fluorophors über der Fluoreszenzintensität bestimmt werden.
In einem bevorzugten Anwendungsbeispiel werden deshalb in einem Faserbündel sowohl die rückgestreute Anregungsstrahlung als auch die Fluoreszenzstrahlung bei einer oder mehrerer Anregungswellenlängen mit einer beliebigen Anzahl von optischen Fasern bekannter numerischer Apertur registriert. Diese Signale werden einzeln ausgelesen und in einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgewertet.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel werden mittels einer räumlich frei positionierbaren Quelle und einer oder mehreren frei positionierbaren Kameras (fly­ ing optics) mit veränderlichem Öffnungsquerschnit (Motorblende) in prinzipiell beliebig vielen Konfigurationen die verschiedenen Intensitäten registriert. Diese Signale werden einzeln ausgelesen und in einer zentralen Verarbeitungseinheit auch hinsichtlich synthetisch erzeugter Aperturen ausgewertet.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Es sind
Fig. 1a und b: Eine schematische Darstellung der Anwendungen der Vor­ richtung einschließlich der Anordnung der Baugruppen zur Anfertigung von tomographischen Rekonstruktionen.
Fig. 2: Eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einer Ausführungsform.
Fig. 3: Eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einer bevorzugten technischen Ausführungsform.
Fig. 1a und b zeigen eine prinzipielle Darstellung aller Ausführungsformen der Vor­ richtung. Die Probe 3 wird über die Lichtquelle 1 beleuchtet. Die von Fluores­ zenzzentren 4 ausgehende Fluoreszenzstrahlung wird über die Optik 6 auf einen Detektor 8, der mit einer Signalauswertung mit Bildrekonstruktionseinheit 9 verbunden ist, abgebildet. Sowohl die Blende 2 für die Beleuchtung als auch die für die Fluoreszenzstrahlung 7 sind voneinander unabhängig variabel gestaltet. Außerdem ist die Position und die Blickrichtung der gesamten Optik frei wählbar. Der unterschiedliche Effekt unterschiedlicher Anregungsintensitäten durch Wahl der Eingangsblende ist in den beiden Abbildungen deutlich erkennbar.
In Fig. 2 wird schematisch der Aufbau und die Anwendung der Vorrichtung gezeigt Gleichzeitig wird aus den angeordneten Baugruppen ebenfalls die prinzipielle Wirkungsweise in einer weiteren Realisierung deutlich.
Das zu untersuchende Medium 21 wird über eine optische Faser 25 mit Hilfe einer abstimmbaren Lichtquelle 22 bestrahlt. Über geeignet applizierte Fasern 26 wird die empfangene Strahlung zu einem optischen Mehrkanalanalysator 23 geleitet. Die Signalauswertung und die Bildrekonstruktion erfolgt in einer Auswerteeinheit 24.
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung gestattet die Anferti­ gung von tomographischen Schnittbildern hinsichtlich der Konzentration von Fluorophoren in ausgedehnten Medien. Dabei kann es sich z. B. um Flüssigkeiten oder um biologische Objekte handeln. Ein Ausschnitt 31 wird über ein Multifaser­ bündel 33 mit Licht bestrahlt, das in einer integrierten Baugruppe 34 erzeugt wird. Über das gleiche Faserbündel wird die gesamte remittierte Strahlung in diese Baugruppe geleitet und analysiert. Die Signalauswertung und Bildrekonstruktion erfolgt wieder in der Auswerteeinheit 35. Dabei erfolgt anwendungsgemäß eine sukzessive Abtastung der Oberfläche in unterschiedlichen Blickrichtungen. Bei gleichzeitiger Registrierung der Position und Orientierung des Faserbündels und der Verarbeitung dieser Werte in der Auswerteeinheit 35 wird so ein Gesamtbild der Fluorophorverteilung im Objekt aus Einzelbildern rekonstruiert. Diese Ausführungs­ form ist besonders als robuste und handliche technische Variante des Gerätes, z. B. für den mobilen Einsatz, geeignet.
Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel stellt die medizinische Diagnostik unter Verwendung der Ausführungsform aus Fig. 3 unter Anwendung z. B. von Indocyanin (32a und b) dar. Dieser Farbstoff wird bei ca. 740 nm angeregt und die Fluo­ reszenzstrahlung besitzt eine Wellenlänge von ca. 785 nm. Biologisches Gewebe kann in diesem Spektralbereich relativ tief (bis 10 mm) durchstrahlt werden. Die Detektion erfolgt über ein Multifaserbündel 33. Bei der ersten Aufnahme wird beispielsweise der innere Ring des Faserbündels 33a zur Anregung und Detektion verwendet. Wie schon in den Fig. 1a und b ersichtlich, gelingt es die Fluoreszenz­ markerkonzentration 32a zu detektieren. Die Wahl der Apertur und die Verteilung von Anregungs- und Fluoreszenzstrahlung wird in der Baugruppe 34 in bekannter Art und Weise realisiert. In einem zweiten Schritt erfolgt die Anregung und Detektion über die durch den äußeren Faserring aufgespannte Apertur 33b. Wie ebenfalls aus dem Grundprinzip in Fig. 1a und b ersichtlich, werden dabei die Fluoreszenzmarkerkonzentration 32a und b erfaßt. Die Auswerteeinheit 35 rekon­ struiert das Fluoreszenzbild. Das Diagnoseverfahren liefert online Ergebnisse und belastet den Patienten nicht durch ionisierende Strahlung. Das Verfahren kann in diesem Beispiel auch endoskopisch in der Tumordiagnostik, im Stoffwechselmonito­ ring und in der Fluoreszenzangiographie angewandt werden.
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. Insbesondere können jedoch mit Hilfe aller Ausführungsformen der beschriebenen Vorrichtung Schnittbilder des zu untersuchenden Körpers hinsichtlich der räumlichen Verteilung von Fluorophoren gewonnen werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Bestimmung und Rekonstruktion räumlicher Verteilungen und Intensitäten von Fluoreszenzfarbstoffen, bei dem
  • - eine Anregung mit einer Lichtquelle (1; 22; integrierte Baugruppe 34) mit Licht einer Wellenlänge zwischen 300 und 3000 nm erfolgt,
  • - sowohl Intensitäten der remittierten Anregungsstrahlung als auch der Fluoreszenzstrahlung mit einem Detektor (8; Mehrkanalanalysator 23; integrierte Baugruppe 34) oder mehreren Detektoren (8; Mehrkanal­ analysator 23; integrierte Baugruppe 34) unterschiedlicher Öffnungs­ charakteristik erfaßt werden,
  • - eine Korrektur der erfaßten Intensitäten zum Erhalt der Fluoreszenzfarb­ stoffkonzentration mit Hilfe der Intensität der unmittelbar rückgestreuten Anregungsstrahlung erfolgt sowie
  • - eine räumliche Rekonstruktion der Fluoreszenzverteilung durch Ver­ arbeitung der Signale aus verschiedenen Detektorpositionen nach einem tomographischen Verfahren erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale aus den verschiedenen Detektorpositionen einzeln in den Rekonstruktions­ algorithmus eingehen oder zur Berechnung einer syntethischen Apertur genutzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluoreszenz­ farbstoffkonzentration auch außerhalb des linearen Bereiches rekonstruiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bilder, die durch unterschiedliche Positionierung der Lichtquelle (1; 22; integrierte Baugruppe 34) und der Detektoren (8; Mehrkanalanalysator 23; integrierte Baugruppe 34) entstehen, zu einem Gesamtbild kombiniert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bilder, die bei unterschiedlichen Anregungswellenlängen gewonnen wurden, kombiniert werden, vorzugsweise als Subtraktionsbild.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Komponenten zweiter und höherer Ordnung der Gesamtintensitäten der Fluoreszenzstrahlung, die in den jeweiligen Detektorpositionen registriert werden, bei der Rekonstruktion der Fluoreszenzfarbstoffkonzentration berücksichtigt werden, wobei die Gewichte zweiter und höherer Ordnung empirisch bestimmt werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche, mit
  • - einer Licht einer Wellenlänge zwischen 300 und 3000 nm abgebenden Lichtquelle (1; 22; integrierte Baugruppe 34),
  • - einem Detektor (8; Mehrkanalanalysator 23; integrierte Baugruppe 34) oder mehreren Detektoren (8; Mehrkanalanalysator 23; integrierte Baugruppe 34) unterschiedlicher Öffnungscharakterisitik, vorzugsweise mit ver­ schiedenem Querschnitt und/oder Öffnungswinkel und
  • - einer eingangsseitig mit dem oder den Detektoren (8; Mehrkanalanalysator 23; integrierte Baugruppe 34) verbundenen Auswerteeinheit (Bildrekon­ struktionseinheit 9; 24; 35) zur Auswertung der Signale aus den ver­ schiedenen Detektorpositionen nach einem tomographischen Verfahren zur räumlichen Rekonstruktion der Fluoreszenzverteilung.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß voneinander unabhängig variabel gestaltete Blenden (2) für die Beleuchtung und die Fluoreszenzstrahlung vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle (1; 22; integrierte Baugruppe 34) eine optische Faser (25; Faserbündel 33a) zur Bestrahlung des zu untersuchenden Mediums zugeordnet ist und eine Mehrzahl von optischen Fasern (26; Apertur 33b) zur Übertragung der Fluoreszenzstrahlung zu einem optischen Mehrkanalanalysator (23; integrierte Baugruppe 34) vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestrahlung des zu untersuchenden Mediums und zur Übertragung der Fluoreszenz­ strahlung ein und dasselbe Mulitfaserbündel (33) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung und Detektion der Fluoreszenzstrahlung ein Multifaserbündel (33) vor­ gesehen ist, das einen inneren (Faserbündel 33a) und einen äußeren (Apertur 33b) Faserring aufweist.
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