DE60304343T2

DE60304343T2 - Vorrichtung für einen in vivo konfokalen optischen tomographieschnitt

Info

Publication number: DE60304343T2
Application number: DE60304343T
Authority: DE
Inventors: Lise Agopian; Jean-Pierre Paris; Bernard Denis
Original assignee: BIOPHYMED
Current assignee: BIOPHYMED
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2023-05-17
Also published as: WO2003096900A3; EP1513446B1; WO2003096900A2; ATE321490T1; AU2003255585A1; EP1513446A2; DE60304343D1; FR2839637A1

Description

Die Erfindung betrifft eine konfokale optische Tomo-Biopsievorrichtung in vivo für die Aufnahme, die Wiederherstellung, die Anzeige und die Aufzeichnung von Momentaufnahmen eines klar definierten Beobachtungsvolumens, insbesondere der Haut und ihrer Mikrostrukturen.
In der klinischen Praxis ist es oft erforderlich, in einer Momentaufnahme und nicht invasiv die vorhandenen Mikrostrukturen in den ersten Hunderten von Mikron, oder den ersten Millimetern, der Tiefe zu beobachten und, allgemeiner gesagt, in einer Reihe von Momentaufnahmen entsprechend einer Folge von Schnittebenen ein gegebenes Volumenelement zu prüfen, um dessen innere Struktur und/oder Zusammensetzung zu beschreiben.
In der Tat üben Hautaufnahmen in vivo eine große Anziehung aus, da sie gestatten, bestimmte Diagnosen zu verfeinern, die Grenzen von bestimmten pathologischen Prozessen zu präzisieren und schließlich zur Bereicherung der Kenntnisse in der Physiologie der Haut beizutragen.
Die kutane optische Tomo-Biopsie in vivo stellt einen Fortschritt im Vergleich zu dem Bestand in den Sektoren der Grundlagenforschung, der pharmazeutischen Forschung und der Kosmetikforschung dar.
Die Analyse des Standes der Technik in Sachen Beobachtung kutaner Mikrostrukturen zeigt die Existenz von fünf Prozessen, basierend auf verschiedenen physikalischen Prinzipien, das heißt:

– die "konventionelle" optische Mikroskopie, wodurch die Beobachtung von Mustern von klinischen Biopsien möglich wird;
– die elektronische Mikroskopie wodurch die Beobachtung von Mustern von klinischen Biopsien möglich wird, die für diesen Prüfungstyp speziell behandelt worden sind;
– die Ultraschalluntersuchung, wodurch die nicht invasive Beobachtung von Schnittebenen parallel zur Ausbreitungsrichtung der Erregungswelle möglich wird;
– die optische Tomo-Biopsie, mit Filterspalte, wodurch die nicht invasive Beobachtung von zueinander parallelen Schnittebenen und Schnittebenen parallel zu der optischen Achse des Systems möglich wird (Patent FR-2738140);
– die optische Mikrostratigraphie, konfokal, wodurch die nicht invasive Beobachtung mittels eines Objektivs möglich wird, mit bekannter axialer Färbung, unter Bildung eines Satzes monochromer Bilder, die ein rechtes Segment (Patent FR-2738343) definieren.

Unter diesen fünf Prozessen:

– sind die optische und die elektronische Mikroskopie invasiv und destruktiv;
– die Ultraschalluntersuchung bietet keine Auflösung und Messgenauigkeit, die mit den Anforderungen zahlreicher Anwendungen vereinbar sind;
– die optische Tomo-Biopsie durch Filterspalte (Lichtlinie) und unter Benutzung von weißem Licht, weist die folgenden Einschränkungen auf: Störungen zwischen den verschiedenen Bildkanälen mit Begrenzung der Beobachtungstiefe (0,3 bis 0,4 mm max.); außerdem ist das Verfahren zur Durchführung einer optischen Biopsie schlecht für Aufnahmen in biologischer Umgebung geeignet;
– die konfokale optische Mikrostratigraphie gestattet nicht die gleichzeitige und Momentbeobachtung von inneren Strukturen in verschiedenen Tiefen; außerdem hat sie, aufgrund der benutzten Lichtquellen (weißes Licht und schwache Leistungen), Einschränkungen bei den Beobachtungstiefen (0,5 mm max.).

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde entworfen, um:

– einerseits, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen und, genauer, Beobachtungstiefen von 3 mm zu erreichen oder gar zu überschreiten, somit einschließlich der Epidermis und der tiefen Lederhaut;
– andererseits, wichtige Untereinheiten der Beobachtungslinie zu unterdrücken, das heißt: den Scanner und das Objektiv, die üblicherweise bei den vorgenannten optischen Techniken benutzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst allgemein:

a) eine angepasste Beleuchtungslinie, um den zu untersuchenden Bereich gemäß einer eindeutig spezifizierten tomographischen Schnitttechnik zu beleuchten, bestehend aus: einer Lichtquelle, einer ersten optischen Faser, einem Anschluss für optische Fasern, zweipolig, einem ersten Ausgangs-Port verbunden mit einer zweiten optischen Faser, deren freies Ende als Punktquelle für eine angepasste Vorrichtung fungiert, um einerseits in dem optischen Tomo-Biopsiebereich ein rechtes Beobachtungssegment zu bilden, bestehend aus einer Einheit von Bildern definiert durch ihre Wellenlänge und ihre Entfernung von der Beobachtungsfläche, und andererseits in besagtem Beobachtungsbereich gemäß einem eindeutig definierten Streckenverlauf besagtes rechte Segment zu verschieben; b) eine Beobachtungslinie zur Aufnahme, gemäß dem Prinzip der Lichtreflektierung, des von den inneren Einzelheiten des von der Beleuchtungslinie beleuchteten optischen Tomo-Biopsiebereichs reflektierten Stroms, bestehend aus: der Vorrichtung zur Bildung und Verschiebung des rechten Beobachtungssegments, der zweiten optischen Faser, dem Anschluss für optische Fasern mit einem zweiten Ausgangs-Port, verbunden mit einer dritten optischen Faser, die ihrerseits mit einer chromatischen Dispersionsuntereinheit verbunden ist, vom Typ Spektrofotometer, die das von den Segmenten von folgenden Beobachtungen verbreitete Licht analysiert, einer Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit, Typ linearer fotoelektrischer Detektor oder zweidimensionaler Matrixdetektor, in der Bildebene des genannten Spektrofotometers plaziert, die, mit Hilfe ihrer Steuerelektronik, eine Momentaufnahme des Tomo-Biopsiebereichs gemäß einer eindeutig definierten Auffrischungsrate liefert, einer Synchronisationsverbindung, die besagte Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit mit der Vorrichtung zur Bildung und Verschiebung des rechten Beobachtungssegments verbindet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im wesentlichen gekennzeichnet dadurch, dass:

– die angepasste Vorrichtung zur Bildung eines rechten Beobachtungssegments in dem optische Tomo-Biopsiebereich, bestehend aus einer Einheit von Bildern, die durch ihre Wellenlänge und ihre Entfernung von der Beobachtungsfläche definiert sind, mittels des Endes der zweiten optischen Faser verwirklicht ist, das in der Nähe des Beobachtungsbereichs positioniert ist;
– die Vorrichtung zum Verschieben des rechten Segments in besagtem Beobachtungsbereich gemäß einem eindeutig definierten Streckenverlauf mittels eines elektromechanischen Organs zum Verschieben besagten Endes entlang der Oberfläche des Beobachtungsbereichs und gemäß besagtem Streckenverlauf verwirklicht ist.

Der Scanner und das Objektiv sind somit durch das elektromechanische Organ ersetzt worden, das auf dem Beobachtungsbereich das Ende der zweiten optischen Faser verschiebt.
Sie ist ebenfalls gekennzeichnet dadurch, dass

– das elektromechanische Organ zum Verschieben des Endes der zweiten optischen Faser angepasst ist, gemäß einem schraubenförmigen Streckenverlauf, der ein Beobachtungsvolumen mit gegebenem Durchmesser und gegebener Tiefe abtastet;
– die Aufnahme- und Anzeigeeinheit programmiert ist, um eine grafische Darstellung der aufeinanderfolgenden Bilder der rechten Beobachtungssegmente des Beobachtungsvolumens zu erhalten.

Die Merkmale und die Vorteile der Erfindung werden klarer beim Lesen der detaillierten Beschreibung, die mindestens einer bevorzugten Ausführungsart als nicht einschränkendes Beispiel folgt, die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist.
In diesen Zeichnungen ist:
1 ein Prinzipschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 ein Detailschema des Endes der zweiten Faser und des damit verbundenen elektromechanischen Organs.
3 ein Schema, das ein optisches Tomo-Biopsievolumen, erhalten durch schraubenförmige Abtastung, darstellt;
4 ist ein Schema, das besagtes Volumen in einer Ebene darstellt.
Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung umfasst:

a) eine Beleuchtungslinie, um den zu untersuchenden Bereich gemäß einer eindeutig spezifizierten tomographischen Schnitttechnik zu beleuchten, bestehend aus: einer Lichtquelle (1), einer ersten optischen Faser (2), einem Anschluss für optische Fasern (3), zweipolig, mit einem ersten Ausgangs-Port verbunden mit einer zweiten optischen Faser (4), deren Ende (4A) als Punktquelle für eine Vorrichtung (5) fungiert, die einerseits in dem optischen Tomo-Biopsiebereich (6) ein rechtes Beobachtungssegment (AB) bildet, bestehend aus einer Einheit von Bildern, definiert durch ihre Wellenlänge und ihre Entfernung (Z) von der Beobachtungsfläche, und, andererseits in besagtem Beobachtungsbereich (6) gemäß einem eindeutig definierten Streckenverlauf (X, Y), besagtes rechte Segment (AB) verschiebt;
b) eine Beobachtungslinie zur Aufnahme, gemäß dem Prinzip der Lichtreflektierung, des von den inneren Einzelheiten des optischen Tomo-Biopsiebereichs (6), die von der Beleuchtungslinie beleuchtet werden, reflektierten Lichtflusses, bestehend aus: der Vorrichtung (5) zur Bildung und Verschiebung des rechten Segments (AB), der zweiten optischen Faser (4), dem Anschluss für optische Fasern (3) mit einem zweiten Ausgangs-Port, verbunden mit einer dritten optischen Faser (7), die ihrerseits mit einer chromatischen Dispersionsuntereinheit (8) verbunden ist, Typ Spektrofotometer, die das durch die darauffolgenden Beobachtungssegmente verbreitete Licht analysiert (AB), einer Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit (9) Typ linearer fotoelektrischer Detektor oder zweidimensionaler Matrixdetektor, in der Bildebene des genannten Spektrofotometers plaziert, die mit Hilfe ihrer Steuerelektronik eine Momentaufnahme des Tomo-Biopsiebereichs gemäß einer eindeutig definierten Auffrischungsrate liefert, einer Synchronisationsverbindung (10), die besagte Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit (9) mit der Vorrichtung (5) zur Bildung und Verschiebung des rechten Beobachtungssegments (AB) verbindet;

Sie umfasst genauer:

a) als Lichtquelle: eine Einheit bestehend aus der punktförmigen Lichtquelle (1) und der ersten optischen Faser (2), deren Länge definiert ist, um insgesamt ein Lichtspektrum zu erhalten, das vom weißen Licht bis zum Infrarot reicht;
b) als Vorrichtung (5) zur Bildung und Verschiebung des rechten Beobachtungssegments (AB): eine Einheit bestehend aus dem Ende (4A) der zweiten optischen Faser (4), das in der Nähe des Beobachtungsbereichs (6) positioniert ist, und einem elektromechanischen Organ (5A) zum Verschieben dieses Endes gemäß einem Streckenverlauf (X, Y) entsprechend der gewünschten Abtastung der besagten Bereichs.

Gemäß anderen Ausführungseinzelheiten der genannten Vorrichtung:

– ist die Lichtquelle (1) ein Generator von kohärentem Licht, dessen Wellenlänge gleich 532 nm ist;
– ist die erste optische Faser (2) eine Faser, deren Länge definiert ist, um ein Spektrum zu erhalten, das mindestens den Bereich der Wellenlängen zwischen 500 und 1300 nm abdeckt;
– das elektromechanische Organ (5A), das das Ende (4A) der zweiten optischen Faser (4) mitreißt, angepasst ist, um letzterer einen spiralförmigen Streckenverlauf zu geben, um ein Durchmesser-Beobachtungsvolumen mit eindeutig definiertem Durchmesser (D) und Tiefe (Z) abzutasten:
– die Aufnahme- und Anzeigeeinheit (9) programmiert ist, um eine grafische Darstellung (Z, L) der aufeinanderfolgenden Bilder der rechten Beobachtungssegmente (AB) des Beobachtungsvolumens (D, Z) zu erhalten;
– die Aufnahme- und Anzeigeeinheit (9) programmiert ist, um eine grafische Darstellung der rechten Beobachtungssegmente (AB) in Gestalt von Schnittebenen (P) im Beobachtungsvolumen (D, Z) zu erhalten.

Gemäß anderen Ausführungseinzelheiten der genannten Vorrichtung:

– die Quelle (1), die ein kohärentes Licht ausgibt, dessen Wellenlänge gleich 532 nm ist, mittels eines Lasers verwirklicht wird oder einer Laserdiode, deren Frequenz durch einen nicht linearen Kristall im innerem Hohlraum auf die Wellenlänge 1064 nm verdoppelt wird;
– die optischen Fasern (2), (4) und (7), der Anschluss (3) und alle Verbindungsmittel (Anschlussmöglichkeiten) der genannten Elemente untereinander in Standardausführung sind,
– die optische Faser (2) eventuell in photonischer Ausführung mit angepassten optischen Ein- und Ausgangs-Anschlüssen sein kann.

Als Beispiel:

– bei der Benutzung von einer optischen Standard-Faser (⌀50/125 μm): eine Länge von 500 bis 600 m ist nötig um ein Kontinuum von weißem Licht von grün bis tief infrarot mit Wellenlänge mindestens gleich 1300 nm zu erhalten, und eine Beobachtungstiefe von 2 bis 3 mm zu erreichen, die Länge dieser Faser bestimmt die Grenze der Wellenlänge im Infrarotbereich;
– bei der Benutzung einer optische Photonenfaser (⌀Kern = 1,6 μm): eine Länge von 1,50 m ist nötig, um ein Kontinuum von weißem Licht vom Grün bis zum nahen Infrarot mit der Wellenlänge von 800 nm zu erhalten, und um eine Beobachtungstiefe von 500 bis 800 μm zu erreichen. Der Mikrolaser ist mit mit der optischen Faser kompatiblen Frequenzen pulsiert. Die Impulse können sehr kurz, von einigen 10 Fento- bis zu einigen Picosekunden sein, und die Frequenzen der Impulse können zwischen 5 und 100 MHz liegen. Der optische Anschluss (2) ist achromatisch in Standardausführung. Die Kamera der Aufnahme- und Anzeigeeinheit ist sehr hochauflösend und hochdynamisch (100 dB). Die Lichtquelle (1) weist den Vorteil auf, ein Lichtkontinuum in einer optischen Faser mit einer Intensität abgeben zu können, die um mehrere Größenordnungen die Intensitätsniveaus der anderen bekannten Lichtquellen übertrifft. Der Anschluss (3) ist achromatisch und vom Typ 50 : 50. Das Spektrofotometer oder der optische Spektrumanalysator (8) gestattet die Analyse des von dem Gegenstand verbreiteten Lichts. Er benutzt ein dispergierendes Element wie ein Prisma oder ein Beugungsgitter. Man kann zum Beispiel eine Messung im A-scan-Modus mit einer Aufnahme mit Videotakt durchführen, also mit 25 Bildern pro Sekunde für eine Matrixkamera. Man verfügt dann über 40 ms, um ein Bild aufzubauen. Zum Beispiel, unter der Annahme, dass die Integrationszeit eines einzigen Spektrums im A-scan-Modus 1 ms ist, kann man dann 40 Aufnahmen machen. Wenn die Größe des Prüfpunkts 3 μm ist, verfügt man über ein Bild im Format 120 × Z μm² (wobei Z die Analysetiefe ist).

Bei einer Integrationszeit von 400ms ist das Bildformat 1200 × Z μm². Somit ergibt sich, dass das Kriterium der Aufnahmezeit im A-scan-Modus von entscheidender Bedeutung ist, um das Ziel des in vivo-Betriebs zu erreichen. Es ist nützlich, die Existenz von mehreren Faktoren zu erwähnen, die eine schnelle Messung einschränken:

– die zulässige Bestrahlungsstärke (EMP), die die maximale Bestrahlung festlegt, die das Hautgewebe ertragen kann;
– die Leistung der auf dem Markt verfügbaren Breitstrahler;
– das elektronische Rauschen der Messgeräte und der Leseelektronik, das die Mindestanzahl von Photonen bedingt, die auf das Messgerät fallen müssen, wodurch es möglich wird, eine Zahl von Photon-Elektronen zu erzeugen, die genügt, damit das Signal aus dem Geräusch heraustritt;
– die Dynamik der optischen Signale, die sehr wichtig ist und dazu zwingt, für Analysetiefen von einigen mm mit Messgeräten von mindestens 100 dB zu arbeiten. Die Auflösung in der Objektebene, oder Seitenauflösung, hängt von der gewählten optischen Faser ab sowie von der optischen Kombination. Die auf dem Markt verfügbaren achromatischen Anschlüsse sind für Multimodefasern des Typs 50/125 μm erstellt, mit Öffnung 0,2. Es ist natürlich möglich, andere Ausführungen von Anschlüssen zu benutzen.

Claims

Optoelektronische Vorrichtung zur konfokalen, optischen Moment-Tomo-Biopsie für die Aufnahme, die Wiederherstellung, die Anzeige und die Aufzeichnung von Momentaufnahmen eines klar definierten Beobachtungsvolumens, besonders der Haut und deren Mikrostrukturen, die allgemein aus folgenden Bauteilen besteht: a) einer angepassten Beleuchtungslinie für die Beleuchtung des zu untersuchenden Bereichs mittels einer eindeutig spezifizierten und ausgebildeten tomographischen Schnitttechnik, weiterhin einer Lichtquelle (1), einer ersten optischen Faser (2) einem 2-poligen Anschluss für optische Fasern (3) mit einem ersten Ausgangs-Port, der mit einer zweiten optischen Faser (4) verbunden ist, dessen Ende (4A) die Aufgabe der PunktQuelle für eine Vorrichtung (5) erfüllt, die darauf ausgelegt ist, um einerseits im Bereich der optischen Tomo-Biopsie (6) ein rechtes Beobachtungssegment (AB) zu bilden, das aus einer Einheit von Bildern gebildet wird, die durch ihre Wellenlänge und ihrem Abstand (Z) zur Beobachtungsfläche definiert werden, und um andererseits das rechte Segment (AB) im benannten Beobachtungsbereich (6) gemäß einem eindeutig definierten Streckenverlauf (X, Y) zu bewegen; b) einer Beobachtungslinie, mit der mittels des Prinzips der Lichtreflektierung der Lichtfluss aufgenommen wird, der von den internen Details des Bereichs der optischen Tomo-Biopsie (6) reflektiert wird, der durch die Beleuchtungslinie beleuchtet wird; nachfolgend besteht sie aus der Vorrichtung (5), die das rechte Segment (AB) bildet und verschiebt, der zweiten optischen Faser (4), dem Anschluss für optische Fasern (3) mit einem zweiten Ausgangs-Port, der mit einer dritten optischen Faser (7) verbunden ist, die wiederum mit einer Untereinheit für die chromatische Verteilung(8) verbunden ist, Typ Spektralfotometer, der das von den aufeinander folgenden Beobachtungssegmenten (AB) verteilte Licht untersucht, einer Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit (9), Typ linearer fotoelektrischer Detektor oder zweidimensionaler Matrixdetekta, der auf der Bildebene des Spektralfotometers angeordnet ist, und der mittels seiner Steuerelektronik und mit einer definierten Auffrischungsrate eine Momentaufnahme des Tomo Biopsiebereichs liefert, einer Synchronisationsverbindung (10) zur Verbindung der angeführten Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit (9) mit der Vorrichtung (5) zur Bildung und Verschiebung des Beobachtungssegments (AB), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Bildung eines Beobachtungssegments (AB) im optischen Tomo-Biopsiebereich (6) gebildet aus einer Reihe von Bildern, die durch ihre Wellenlänge und ihrem Abstand (Z) zur Beobachtungsfläche definiert werden, mittels des Endes (4A) der zweiten optischen Faser (4) gebildet wird, die in der Nähe des Beobachtungsbereichs (6) angebracht wird, und dass die Vorrichtung zur Verschiebung des angeführten rechten Segments (AB) im Beobachtungsbereich (6) entsprechend einer definierten Strecke (X, Y) mittels eines elektromechanischen Elements (5A) durchgeführt wird, das zur Verschiebung des Endes (4A) entlang der Oberfläche des Beobachtungsbereichs (6) und entlang der angeführten Strecke (X, Y) angepasst ist.
Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromechanische Element (5A) dafür angepasst ist, das Ende (4A) der zweiten optischen Faser (4) über eine spiralförmige Strecke zu bewegen und dabei ein Beobachtungsvolumen mit Durchmesser (D) und einer Tiefe (Z) beleuchtet.
Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit (9) dafür programmiert ist, eine graphische Darstellung (Z, 0) aufeinander folgender Bilder der rechten Beobachtungssegmente (AB) des Beobachtungsvolumens (D, Z) zu erhalten.
Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufzeichnungs- und Anzeigeeinheit (9) dafür programmiert ist, eine graphische Darstellung der rechten Beobachtungssegmente (AB) zu erhalten, die aus den Schnittebenen (P) gebildet werden, die im Innern des Beobachtungsvolumens (D, Z) angefertigt werden.
Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) aus einem Laser oder einer Laserdiode mit einer Wellenlänge von 532 nm gebildet wird, dessen Frequenz durch ein in den inneren Hohlraum eingesetztes nicht lineares Kristall auf eine Wellenlänge 1064 nm verdoppelt wird, und aus der ersten optischen Faser (2), in Standardausführung, wobei die Wellenlänge definiert ist, um ein kontinuierliches weißes Licht bis zu einer Wellenlänge von mindestens 1300 nm zu erhalten.
Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) aus einem Laser oder einer Laserdiode mit einer Wellenlänge von 532 nm, dessen Frequenz durch ein eingesetztes nicht lineares Kristall auf eine Wellenlänge 1064 nm verdoppelt wird, und aus der ersten optischen Faser (2) gebildet wird, in photonischer Ausführung, wobei die Wellenlänge definiert ist, um ein kontinuierliches weißes Licht bis zu einer Wellenlänge von 800 nm zu erhalten.