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Die
Erfindung betrifft ein System zum Lokalisieren eines Objekts in
einem trüben
Medium. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Lokalisieren eines
Objekts in einem trüben
Medium.
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Ein
solches System wird vorteilhaft zum Abbilden von menschlichem oder
tierischem Gewebe verwendet. Insbesondere wird auf dem Gebiet der Mammographie
die Detektion eines Objekts in einem trüben Medium verwendet, um in
der Brust einer Frau einen Tumor zu detektieren.
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Ein
derartiges System ist aus dem Artikel "Highly sensitive object location in
tissue models with linear in-phase and anti-phase multi-element
optical arrays in one and two dimensions" von B. Chance et al. in den Proceedings
of the National Academy of Science USA Bd. 90 (1993) 3423–3427 bekannt.
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Das
bekannte System umfasst räumlich
voneinander getrennte Lichtquellen, die im Wesentlichen die gleiche
Wellenlänge
aussenden. Die Lichtquellen sind mit im Wesentlichen der gleichen
Frequenz und einer Phasendifferenz von etwa 180° amplitudenmoduliert. Wenn das
bekannte System ein homogenes Medium beleuchten würde, heben
sich die Amplitudenmodulationen entlang der Streckensymmetrale der
Trennung der beiden Quellen auf. Eine eventuelle Inhomogenität, wie z.
B. ein Objekt in dem trüben Medium,
bewirkt eine Abweichung von der Aufhebung der Amplitudenmodulation
entlang der Streckensymmetrale und infolgedessen wird durch einen Photodetektor,
der auf der Streckensymmetrale aufgestellt ist, ein Signal detektiert.
Das bekannte Signal verschafft jedoch keine Informationen hinsichtlich
der Zusammensetzung des Objekts. Daher ist das bekannte System z.
B. nicht imstande, einen bösartigen Krebstumor
von einem gutartigen Tumor zu unterscheiden.
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In
US-A-5 353 799 werden ein Verfahren und ein System zur Untersuchung
eines Gegenstands offenbart, der zwischen Eingangs- und Detektionsports des
Spektroskopiesystems, das auf den Gegenstand angewendet wird, positioniert
ist. Das dargestellte System enthält zumindest eine Lichtquelle,
um bei einem einzigen oder mehrfachen Eingangsports elektromagnetische
nichtionisierende Strahlung, die während des Wanderns in dem Gegenstand
gestreut und absorbiert werden soll, in einem Strahlungsmuster einzubringen.
Weiterhin enthält
das System Detektoren, um die Strahlung, die in dem Gegenstand bei
einem oder mehrfachen Detektionsports gewandert ist, zu detektieren.
Das ausgesandte Richtungsstrahlungsmuster nutzt seinen Verlauf der
Photonendichte, um beim Abtasten des untersuchten Gegenstandes ein
verborgenes Objekt zu detektieren. Die Wellenlänge der Strahlung kann so gewählt werden, dass
sie für
endogene oder exogene Pigmente empfindlich ist, oder, um in dem
Gegenstand fluoreszierende Strahlung aus einem fluoreszierenden
Bestandteil, der von Interesse ist, zu bewirken. Die offenbarte
Funktionsweise mit zwei Wellenlängen
enthält
einen Oszillator, der unter Verwendung von Schaltern abwechselnd
zwei Laserdioden ansteuert. Diese Schalter werden elektronisch angesteuert,
um eine selektierte Wellenlänge
in die optische Faser einzukoppeln und auch, um ein selektiertes
Strahlungsmuster zu erhalten, das aus der aus den einzelnen Fasern
austretenden Strahlung resultiert.
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Eine
Methodologie und ein Gerät
zur klinischen Auswertung biologischer Masse, insbesondere menschlicher
Anatomie, die mittels selektiver spektraler Lichtdurchlässigkeit
in situ und in vivo untersucht worden ist, werden in US-A-5 349
961 beschrieben. Eine optische Sonde bringt bei einer ersten Position
ausgewählte
Lichtspektren in den Untersuchungsgegenstand ein und bei einer zweiten
Position, die in einem gewissen Abstand vom Infusionspunkt liegt,
wird die resultierende Lichtintensität gemessen. An einem anderen
Ort tritt Lichtempfang auf, und zwischen diesen Orten und dem Infusionspunkt
werden die effektiven Abstände
bestimmt. Die an den voneinander entfernten Punkten empfangene Lichtenergie
wird durch Verwendung der effektiven Abstände zum Infusionspunkt und/oder
voneinander und auch, indem die Daten aus den beiden unterschiedlich
gelegenen Empfangspunkten verglichen werden, quantifiziert und konditioniert.
Die resultierenden Daten charakterisieren quantitativ die intrinsischen
inneren Gewebeeigenschaften in absolutem Sinn, frei von speziellen
individuellen Eigenschaften und Veränderungen. Das Verfahren wählt und
nutzt speziell gelegene erste und zweite Lichtempfangspositionen,
deren Orte in bezug auf den Punkt, wo die Lichtspektren eingeführt werden,
spezielle Zonen der Abfrage und Analyse definieren.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein System zum Detektieren
eines Objekts in einem trüben
Medium zu verschaffen, das im Wesentlichen für die Zusammensetzung des Objekts
empfindlich ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes System zum Detektieren
eines Objekts in einem trüben
Medium gelöst,
mit einer Strahlungsquelle zum Bestrahlen des trüben Mediums mit Strahlungskomponenten,
die eine erste bzw. eine zweite Wellenlänge haben, wobei die Strahlungskomponenten
der ersten und der zweiten Wellenlänge bei nahezu gleichen Modulationsfrequenzen
amplitudenmoduliert sind und die Amplitudenmodulation der Strahlungskomponenten
der ersten und der zweiten Wellenlänge eine zuvor bestimmte Phasendifferenz
aufweist und die Amplitudenmodulationstiefen der jeweiligen Strahlungskomponenten
entsprechend dem Absorptionsvermögen
für die
Strahlungskomponenten der ersten und der zweiten Wellenlänge in dem trüben Medium
einstellbar sind und ein Photodetektor zum Detektieren von aus dem
trüben
Medium stammender Strahlung ausgebildet ist.
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Die
Strahlungsquelle bestrahlt das trübe Medium, und durch zumindest
einen Teil des trüben
Mediums getretene Strahlung wird vom Photodetektor detektiert. Wenn
das trübe
Medium homogen wäre, würden die
Amplitudenmodulationen sich beim Photodetektor in einer zuvor bestimmten
Weise überlagern.
Diese Überlagerung
wird durch ein zuvor bestimmtes Photodetektorsignal repräsentiert.
Insbesondere würde
die Überlagerung
der Amplitudenmodulationen durch die Absorption der Strahlungskomponenten
der ersten und zweiten Wellenlänge
durch das trübe
Medium und den Abstand zwischen der Position des Einfalls der Strahlungskomponenten
und der des Photodetektors zuvor bestimmt sein. Das Objekt bewirkt
eine Abweichung von der zuvor bestimmten Überlagerung, und die sich daraus
ergebende Abweichung des tatsächlichen
Photodetektorsignals von dem zuvor bestimmten Photodetektorsignal
enthält
Informationen über
das Objekt. Insbesondere wird die Abweichung der Überlagerung
durch einen Unterschied der Abhängigkeit
der Absorption von den Wellenlängen
für das
trübe Medium
und für das
Objekt bewirkt. Beispielsweise hat im Vergleich zu gesundem Brustgewebe
ein Krebstumor in der Brust einer Frau in Abhängigkeit von der Wellenlänge ein
anderes Absorptionsverhalten. Die Abweichung des tatsächlichen
Photodetektorsignals von dem zuvor bestimmten Photodetektorsignal
repräsentiert
sowohl die Position als auch zumindest einige Aspekte der Zusammensetzung
des Objekts. Die Abweichung umfasst spektroskopische Informationen
hinsichtlich des Objekts, die zumindest einige Aspekte seiner Zusammensetzung
repräsentieren.
Die Abweichung der Überlagerung
der Amplitudenmodulationen wird im Wesentlichen in dem gesamten
von den Strahlungskomponenten durchlaufenen Gebiet in dem trüben Medium
verursacht. Daher ist das erfindungsgemäße System imstande, sehr kleine
Objekte und/oder Objekte, die sich nicht sehr von dem umgebenden
trüben
Medium unterscheiden, zu detektieren, d. h. sehr kleine Tumore,
die sich nur wenig von dem umgebenden gesunden Gewebe unterscheiden.
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Damit
zwischen dem zuvor bestimmten Photodetektorsignal, das sich auf
ein homogenes trüben Medium
bezieht, und dem tatsächlichen
Photodetektorsignal, das sich auf das Objekt in dem trüben Medium
bezieht, ein signifikanter Unterschied auftritt, ist der Photodetektor
im Wesentlichen sowohl für
die erste als auch für
die zweite Wellenlänge
empfindlich. Vorzugsweise haben die Strahlungskomponenten je eine
Wellenlänge
im Bereich von 600 nm bis 1 μm,
was bedeutet, dass Infrarotstrahlung oder sichtbares Licht verwendet
wird. Die Strahlung mit einer Wellenlänge in diesem Bereich ist nicht
ionisierend und soweit bisher bekannt ist, ist sie für gesundes Gewebe
kaum oder gar nicht schädlich.
Außerdem ist
in diesem Bereich die Streuung von Strahlung genügend schwach, um adäquate räumliche
Auflösung zu
erhalten, damit Detektion und Lokalisierung eines Objekts möglich werden,
wobei die Absorption genügend
niedrig ist, um eine wesentliche Intensität der Strahlungskomponenten
den Photodetektor erreichen zu lassen, sodass das Photodetektorsignal
einen geeigneten Rauschabstand aufweist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
ist die zuvor bestimmte Phasendifferenz nahezu gleich 180°.
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Die
Strahlungskomponenten der ersten und der zweiten Wellenlänge sind
gegenphasig amplitudenmoduliert. Beide Strahlungskomponenten fallen an
der gleichen Position auf dem trüben
Medium ein. Bei einem homogenen trüben Medium, bei dem das Absorptionsvermögen und
die Streuung bei der ersten und der zweiten Wellenlänge nahezu
die gleichen sind, würden
die Amplitudenmodulationen der jeweiligen Strahlungskomponenten
einander überall
in dem trüben
Medium aufheben. Wenn somit in dem trüben Medium kein Objekt vorhanden
wäre, würde das
zuvor bestimmte Photodetektorsignal praktisch nur eine Gleichstromkomponente
umfassen. Wenn in dem trüben
Medium eine Inhomogenität
vorliegt, wie z. B. das Objekt, dann heben sich die Amplitudenmodulationen
nicht vollständig
auf und das tatsächliche Photodetektorsignal
umfasst eine Wechselstromkomponente mit der Frequenz der Amplitudenmodulation.
Es ist ganz einfach, die Wechselstromkomponente zu messen. Außerdem braucht
das zuvor bestimmte Photodetektorsignal nicht tatsächlich gebildet
zu werden, da das zuvor bestimmte Photodetektorsignal für ein homogenes
trübes
Medium ein Gleichstromsignal ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
hat der Photodetektor einen Empfindlichkeitsbereich der Wellenlänge, der
die erste und die zweite Wellenlänge
umfasst.
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Obwohl
ein Photodetektor verwendet werden kann, der separate Detektorabschnitte
zum Detektieren der Strahlungskomponenten der ersten und der zweiten
Wellenlänge
umfasst, wird vorzugsweise ein Photodetektor verwendet, der ein
photoempfindliches Element aufweist, das eine Empfindlichkeitsbandbreite
hat, die breit genug ist, um sowohl die erste als auch die zweite
Wellenlänge
zu enthalten. Mit einem solchen Breitbandphotodetektor ist es einfach, beide
Strahlungskomponenten von der gleichen Position in dem trüben Medium
aus zu detektieren. Daher wird verhindert, dass der Photodetektor
Strahlungskomponenten detektiert, die das trübe Medium aus unterschiedlichen
Positionen verlassen, was zu einem falschen Wechselstromsignal führt, das
sich nicht auf das Objekt bezieht. Außerdem ist der Breitbandphotodetektor
verwendbar, wenn die Strahlungskomponenten Wellenlängen in
Bändern
um die erste bzw. die zweite Wellenlänge herum enthalten. Bei Verwendung
des Breitbandphotodetektors geht nämlich nahezu keine Strahlung
aus dem trüben
Medium verloren, wodurch die Empfindlichkeit des Systems für kleine
Objekte, die sich nicht sehr von dem trüben Medium unterscheiden, erhöht wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
ist die Amplitudenmodulation im Wesentlichen eine Rechteckmodulation.
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Dies
entspricht dem fortlaufenden Zuführen von
einer der Strahlungskom ponenten, während die andere Strahlungskomponente
blockiert wird. Dies wird am einfachsten erreicht, indem zum Erzeugen der
jeweiligen Strahlungskomponenten gesonderte Quellen vorgesehen werden.
In diesem Fall wird eine Rechteckmodulation mit einer Phasendifferenz
von 180° erhalten,
indem eine Quelle eingeschaltet wird, während die andere ausgeschaltet
wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein System zum Detektieren und
Lokalisieren eines Objekts in einem trüben Medium zu verschaffen,
welches System auch hinsichtlich der Zusammensetzung des Objekts
empfindlich ist.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
hat der Photodetektor einen Strahlungsempfangsabschnitt und umfasst
das System einen Kompressionsmechanismus, um das trübe Medium
zusammenzudrücken,
eine Verlagerungseinrichtung, um eine Strahlungsaustrittsfläche in Bezug
auf das trübe
Medium zu bewegen, und einen Strahlungsempfangsabschnitt des Photodetektors,
der gegenüber
der Strahlungsaustrittsfläche
angeordnet ist.
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Die
von der Strahlungsquelle erzeugte Strahlung verlässt die Quelle von ihrer Strahlungsaustrittsfläche aus;
um das trübe
Medium zu durchstrahlen. Die Strahlung, die zumindest teilweise
das trübe
Medium durchlaufen hat, wird von dem Empfangsabschnitt des Photodetektors
aufgefangen. Das Kompressionsgerät
ordnet das trübe
Medium im Wesentlichen in einer Plattengeometrie an. Das trübe Medium,
d. h. die Brust der Frau, wird abgetastet, indem die Strahlungsaustrittsfläche der
Strahlungsquelle relativ zum trüben
Medium bewegt wird. Auf diese Weise wird das trübe Medium aus aufeinander folgenden
Positionen von zumindest einem Teil der Oberfläche des trüben Mediums aus durchstrahlt. Beim
Abtasten des trüben
Mediums wird entweder ein einzelner Empfangsabschnitt zusammen mit
der Strahlungsaustrittsfläche
bewegt, sodass der Trennabstand zwischen dem Strahlungsempfangsabschnitt
und der Strahlungsaustrittsfläche
nahezu konstant bleibt, oder es kann eine Vielzahl von Strahlungsempfangsflächen verwendet
werden, sodass beim Abtasten aufeinander folgende Empfangsabschnitte
aktiviert werden, in der Weise, dass der Trennabstand zwischen der
Strahlungsaustrittsfläche
und einem aktiven Empfangsabschnitt nahezu konstant ist. So wird
erreicht, dass beim Abtasten die Länge des Weges, den die Strahlung
im trüben
Medium durchläuft,
genau konstant gehalten wird. Somit werden beim Photodetektor Unterschiede
zwischen den Amplituden der ersten und der zweiten Strahlungskomponenten,
die durch eine Abhängigkeit
des Absorptionsvermögens
des trüben
Mediums von der Wellenlänge
selbst verursacht werden, deutlich vermieden. Aufeinander folgende
Photodetektorsignale enthalten Informationen zur Position und Zusammensetzung
des Objekts. Die Amplitudenmodulationstiefen der jeweiligen Strahlungskomponenten
werden entsprechend dem Absorptionsvermögen der Strahlungskomponenten
der ersten und der zweiten Wellenlänge in dem trüben Medium
eingestellt. Um zu erreichen, dass für ein homogenes trübes Medium
das zuvor bestimmte Photodetektorsignal im Wesentlichen nur eine
Gleichstromkomponente enthält,
werden die Amplitudenmodulationstiefen der jeweiligen Strahlungskomponenten
entsprechend der Empfindlichkeit des Photodetektors für die erste
und die zweite Wellenlänge
eingestellt. Das heißt,
sollte der Photodetektor für
die erste Wellenlänge
weniger empfindlich sein als für
die zweite Wellenlänge,
dann wird die Modulationstiefe der Strahlungskomponente der ersten
Wellenlänge
größer gemacht
als die Modulationstiefe der Strahlungskomponente der zweiten Wellenlänge.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Systems
umfasst eine Quellenfaser, die zum Leiten von Strahlung aus der Strahlungsquelle
zum trüben
Medium ausgebildet ist und eine Vielzahl von Detektorfasern, die
zum Leiten von Strahlung aus jeweiligen Positionen des trüben Mediums
zum Photodetektor ausgebildet sind.
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Die
Quellenfaser sendet beide Strahlungskomponenten in das trübe Medium.
Jede der Detektorfasern sammelt Strahlung aus separaten Positionen
rundum das trübe
Medium. Somit empfängt
der Photodetektor Strahlung, die gesonderte Wege durch das trübe Medium
durchlaufen hat. So enthält das
tatsächliche
Photodetektorsignal räumliche
und spektroskopische Informationen hinsichtlich des Objektes in
dem trüben
Medium. Das tatsächliche
Photodetektorsignal wird geeignet verarbeitet, um ein Bildsignal
zu bilden, das den Ort und/oder die Struktur des Objekts repräsentiert.
Die aus den separaten Detektorfasern stammenden Signale können parallel verarbeitet
werden, um das Bildsignal zu generieren. Das Bildsignal kann verwendet
werden, um das Objekt und/oder seine Position und Zusammensetzung in
dem trüben
Medium in einem Bild wiederzugeben, z. B. auf einem Monitor oder
als Papierkopie.
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Es
sei bemerkt, dass statt einer einzelnen Quellenfaser und einer Vielzahl
von Detektorfasern auch eine Vielzahl von Quellenfasern und eine
einzelne Detektorfaser verwendet werden kann.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
ist der Photodetektor eine ladungsgekoppelte Schaltung (CCD: charged-coupled
device).
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Die
Detektorfasern sind mit gesonderten photoempfindlichen Elementen
des Photodiodenarrays oder CCD-Sensors gekoppelt, sodass jeweilige photoempfindliche
Elemente Strahlung aus verschiedenen Positionen des trüben Mediums
empfangen. Die photoempfindlichen Elemente wandeln einfallende Strahlung,
wie z. B. (infrarotes) Licht in elektrische Ladungen um. Bei Verwendung
eines CCD-Sensors werden diese elektrischen Ladungen in einfacher Weise
ausgelesen, indem sie in Eimerkettenform zu einem Ausleseregister übertragen
werden. Aus den ausgelesenen Ladungen wird das tatsächliche
Photodetektorsignal abgeleitet. Der Rauschabstand des Photodetektorsignals
kann durch Kühlen
des Photosensorarrays oder des CCD-Sensors verbessert werden, um
so die Zahl von durch thermische Anregung ausgelösten elektrischen Ladungen
zu verringern.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
umfasst der Photodetektor eine Ausleseschaltung, die eingerichtet
ist, um synchron mit der Amplitudenmodulation zu arbeiten.
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Der
Photodetektor liefert aufeinander folgende Photodetektorsignale,
die den jeweiligen Strahlungskomponenten mit der ersten und der
zweiten Wellenlänge
entsprechen. Die Differenz zwischen diesen aufeinander folgenden
Signalen enthält
spektrale Informationen, die zu dem Objekt gehören.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Systems
umfasst die Ausleseschaltung eine Subtraktionseinheit.
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Die
Ausleseschaltung gibt elektrische Ladungen aus, die den jeweiligen
aus dem trüben
Medium stammenden Strahlungskomponenten entsprechen. Aus diesen
elektrischen Ladungen werden jeweilige Photodetektorsignale abgeleitet,
die den jeweiligen Strahlungskomponenten entsprechen. Die Subtraktionseinheit
ist zum Bilden des Bildsignals ausgebildet, dessen Signalpegel gleich
der Differenz zwischen den Signalpegeln der aufeinander folgenden
Photodetektorsignale ist. Das Bildsignal repräsentiert die Position des Objekts
in dem trüben
Medium.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Detektieren
eines Objekts in einem trüben
Medium zu verschaffen, das im Wesentlichen empfindlich für die Zusammensetzung
des Objekts ist.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Detektieren eines Objekts in einem trüben Medium
offenbart, wie in Anspruch 4 definiert.
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Das
Verfahren sorgt dafür,
dass zumindest ein Teils der Zusammensetzung des Objekts in dem trüben Medium
mit guter Empfindlichkeit detektiert und abgeleitet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren
verschafft nämlich
spektroskopische Informationen hinsichtlich des Objekts, das detektiert
und/oder lokalisiert wird. Selbst kleine Objekte, die sich nicht stark
von dem umgebenden trüben
Medium unterscheiden, werden genau lokalisiert.
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Insbesondere
kann das erfindungsgemäße Verfahren
auch vorteilhaft verwendet werden, um die Verteilung geeigneter
pharmakologischer Indikatormaterialien oder -zusammensetzungen zu
detektieren. Geeignet gewählte
Indikatoren konzentrieren sich vorwiegend in bösartigem Gewebe und solche Indikatoren
können
so gewählt
werden, dass das Absorptionsvermögen
sich bei entweder der ersten oder der zweiten Wellenlänge erheblich
vom Absorptionsvermögen
des umgebenden gesunden Gewebes unterscheidet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Weiteren näher beschrieben.
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Die
Zeichnung enthält
die folgenden Figuren:
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1 zeigt schematisch ein
Mammographiegerät
mit einer ersten Ausführungsform
eines Systems zum Detektieren eines Objekts in einem trüben Medium
gemäß der Erfindung.
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2 zeigt schematisch ein
Mammographiegerät
mit einer zweiten Ausführungsform
eines Systems zum Detektieren eines Objekts in einem trüben Medium
gemäß der Erfindung.
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1 zeigt schematisch ein
Mammographiegerät
mit einem System zum Detektieren eines Objekts in einem trüben Medium
gemäß der Erfindung.
Der Zweck eines solchen Mammographiegerätes ist, Inhomogenitäten im Gewebe
der Brust einer Frau zu detektieren. Beispielsweise können solche Inhomogenitäten Mikrovaskularisationen
sein, d. h. hohe Konzentrationen kleiner Blutgefäße, die um einen bösartigen
Tumor herum gebildet werden, oder ein solcher Tumor selbst. Insbesondere
zielt das erfindungsgemäße System
auf das Detektieren und Lokalisieren solcher krankhaften Veränderungen, wenn
sie ziemlich klein sind, sodass eventuelle Karzinome in einem sehr
frühen
Stadium der Pathologie entdeckt werden können, aber ohne die zu untersuchenden
Frauen dem Risiko von ionisierender Strahlung, wie z. B. Röntgenstrahlen,
auszusetzen.
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Die
Quellenfaser 5 und die Detektorfasern 7 sind entlang
dem Umfang 15 der Brust der Frau angeordnet. Strahlung
mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen wird in das Brustgewebe
gestrahlt, das faktisch das trübe
Medium 2 ist. Aufgrund von Streuung empfängt jede
der Detektorfasern Licht aus einem mehr oder weniger bananenförmigen Gebiet 16. Strahlung
mit einer Wellenlänge
im Bereich von 600 nm bis 1 μm
ist geeignet, weil in diesem Bereich sowohl die Absorption im Brustgewebe
genügend
gering ist, damit eine wesentliche Intensität die Detektorfasern erreicht,
als auch Streuung von Strahlung im Brustgewebe genügend gering
ist, sodass eine geeignete räumliche
Auflösung
zum Detektieren des Objekts erhalten wird. Wenn Infrarotstrahlung
mit einer Wellenlänge
verwendet würde,
die wesentlich größer als
1 μm ist,
würde Absorption
durch Wasser ungenügende
Infrarotstrahlungsintensität
am Photodetektor bewirken. Licht mit einer Wellenlänge von weniger
als 600 nm (orange) würde
so stark im Brustgewebe gestreut werden, dass die räumliche
Auflösung
unzureichend wird, um das Objekt zu detektieren. Besonders günstige Ergebnisse
werden mit Strahlung erhalten, die eine Wellenlänge im Bereich zwischen 780
nm und 940 nm hat. Weiterhin wird die Infrarotstrahlung im Bereich
zwischen 600 nm und 1 μm
durch Verwendung von Halbleiterinjektionslasern bequem erhalten.
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Die
von den gesonderten Detektorfasern 7 empfangene Strahlung
wird dem Photodetektor 4 zugeführt, der faktisch ein CCD-Sensor
ist. Die Strahlung aus den Detektorfasern 7 wird in den
photoempfindlichen Elementen des CCD-Sensors in elektrische Ladungen
umgewandelt. Die elektrischen Ladungen werden mit Hilfe einer Ausleseschaltung 8 ausgelesen,
die faktisch ein Ausleseregister ist, hin zu einem Verstärker 20.
Der Verstärker 20 leitet
das Photodetektorsignal aus den gelesenen Ladungen ab und gibt das
Photodetektorsignal an eine Signalverarbeitungseinheit 9 ab.
Das Photodetektorsignal enthält
Informationen zur Lage und Zusammensetzung des Objekts 1.
Das Photodetektorsignal wird von der Signalverarbeitungseinheit
in ein Bildsignal umgewandelt. Insbesondere wird das Bildsignal
als elektronisches Videosignal erstellt. Das elektronische Videosignal
kann einem Monitor 21 zugeführt werden, auf dem Informationen
hinsichtlich des Objekts 1 in dem trüben Medium des Brustgewebes sichtbar
gemacht werden. Das elektronische Videosignal kann auch einer Zwischenspeichereinheit 22 zugeführt werden,
um vor einer weiteren Verarbeitung gespeichert zu werden.
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Die
Strahlungsquelle 3 umfasst einen Faserkoppler 30,
mit dem zwei gesonderte Halbleiterinjektionslaser 31 und 32 gekoppelt
sind. Das aus diesen Lasern austretende Licht 31, 32 wird
dem Faserkoppler mittels optischer Fasern 33, 34 zugeführt. Die
gesonderten Halbleiterinjektionslaser senden infrarotes Licht unterschiedlicher
Wellenlänge
im Bereich zwischen 780 nm und 940 nm aus. Die Injektionsströme werden
von Stromquellen 35, 36 geliefert und um Amplitudenmodulation
der Ausgangssignale der Halbleiterlaser zu erreichen, werden die
Injektionsströme
durch die gesonderten Halbleiterlaser mit Hilfe eines Modulators 37 amplitudenmoduliert.
Der Faserkoppler 30 kombiniert aus den Halbleiterinjektionslasern
kommendes, infrarotes Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu infrarotem
Licht mit zwei Strahlungskomponenten mit der ersten bzw. zweiten
Wellenlänge.
Das Ausgangslicht aus dem Faserkoppler 30 wird in die Quellenfaser 5 geleitet,
die das Licht mit Strahlungskomponenten unterschiedlicher Wellenlänge in die
Brust der Frau abgibt.
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Eine
einfache Amplitudenmodulation wird dadurch erreicht, dass der Modulator
abwechselnd die jeweiligen durch die gesonderten Laser fließenden Injektionsströme ein-
und ausschaltet; praktisch sind die Ausgangssignale beider Laser
dann gegenphasig mit einer Rechteckamplitudenmodulation amplitudenmoduliert.
Bei einer Rechteckamplitudenmodulation amplitudenmoduliert. Bei
dieser Betriebsart empfängt
der CCD-Sensor fortlaufend hintereinander die gesonderten Strahlungskomponenten
der ersten und der zweiten Wellenlänge aus der Brust der Frau. Das
Ausleseregister 8 ist mit dem Modulator 37 gekoppelt,
sodass von den aufeinander folgenden Strahlungskomponenten gebildete
Pakete von elektrischen Ladungen hintereinander ausgelesen werden.
Auf diese Weise wird das Ausleseregister 8 mit der Amplitudenmodulation
synchronisiert. Der Verstärker 20 bildet
aufeinander folgende Photodetektorsignale, die sich auf die gesonderten
Strahlungskomponenten beziehen. Die Signalverarbeitungseinheit 9 umfasst
eine Zwischenspeichereinheit, in der das erste Bildsignal, das aus
dem ersten der aufeinander folgenden Photodetektorsignale abgeleitet wird,
vorübergehend
gespeichert wird. Die Signal-verarbeitungseinheit
umfasst auch eine Subtrahiereinheit, die ausgebildet ist, um ein
zweites Bildsignal, das aus den folgenden Photodetektorsignalen abgeleitet
ist, vom ersten Bildsignal zu subtrahieren. Die Differenz zwischen
dem ersten und dem zweiten Bildsignal ist ein Bildsignal, das den
gesonderten Strahlungskomponenten entspricht, und bildet so das Bildsignal,
das spektroskopische Informationen sowie Informationen hinsichtlich
der Lage eines oder mehrerer Objekte innerhalb des Brustgewebes
enthält.
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2 zeigt schematisch ein
Mammographiegerät
mit einer zweiten Ausführungsform
eines Systems zum Detektieren eines Objekts in einem trüben Medium
gemäß der Erfindung.
Die Brust der Frau wird zwischen zwei Plexiglasplatten 40, 41 zusammengedrückt, die
das Kompressionsgerät
bilden. Daher wird das Brustgewebe in eine Plattengeometrie gezwungen,
mit einer Dicke von etwa 6 cm. Beispielsweise wird die Brust den
Frau in mediolateraler oder craniocaudaler Richtung komprimiert.
Die Quellenfaser, von der ein Ende die Strahlungsaustrittsfläche der
Strahlungsquelle bildet, emittiert die erste und zweite Strahlungskomponente
durch die Plexiglasplatten in das Brustgewebe. Die Detektorfaser 7,
die den Strahlungsempfangsabschnitt des Photodetektors bildet, ist
genau, innerhalb 0,5 μm, gegenüber der
Quellenfaser 5 angeordnet. Sowohl die Detektorfaser 7 als
auch die Quellenfaser 5 sind in Bezug auf die Brust der
Frau verlagerbar, in der vorliegenden Ausführungsform durch gemeinsames Bewegen
der Detektions- und Quellenfasern nahezu parallel zu den jeweiligen
Plexiglasplatten 40, 41. Hierzu umfasst die Detektorfaser 7 einen
flexiblen Faserabschnitt 42, der die Quellenfaser 5 mit
dem Photodetektor koppelt, und die Quellenfaser umfasst einen flexiblen
Faserabschnitt 43, der Licht von dem Faserkoppler 30 zur
Quellenfaser 5 führt.
Die Quellen- und Detektorfasern sind mechanisch mit jeweiligen Antriebsmitteln
gekoppelt, wie z. B. Schrittmotoren 44, 45. Die
mechanische Kopplung sind z. B. Stäbe 46, 47,
an denen die Quellen- bzw. Detektorfasern befestigt sind. Die Stäbe können mit
Hilfe der Schrittmotoren bewegt werden. Die Schrittmotoren 44, 45 werden
von einer Steuereinheit 48 gesteuert, die ausgebildet ist,
um die Quellen- und die Detektorfaser zusammen in solcher Weise
zu bewegen, dass sie genau einander gegenüber positioniert bleiben.
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Photodetektorsignale,
die zu aufeinander folgenden Positionen der Quellen- und Detektorfasern gehören, werden
an jeweiligen Adressen in einer Speichereinheit 49 gespeichert.
Hierzu gibt die Steuereinheit 48 an die Speichereinheit 49 ein
Adressiersignal ab, das sich auf die Position der Quellen- und Detektorfasern
bezieht. Die aufeinander folgenden Photodetektorsignale werden der
Bildverarbeitungseinheit 9 zugeführt, die das Bildsignal ableitet,
das die Position und Informationen zur Zusammensetzung des Objekts 1 in
dem trüben
Medium 2 repräsentiert.
Die von dem Bildsignal getragene Information wird auf dem Monitor 21 wiedergegeben
und/oder das Bildsignal wird vor einer weiteren Verarbeitung vorübergehend
in der Zwischenspeichereinheit 22 gespeichert.
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Obwohl
als Beispiel die Erfindung hier für ein Mammographiesystem beschrieben
worden ist, wird es für
den Fachkundigen offensichtlich sein, dass die Erfindung ebenfalls
vorteilhaft zur Untersuchung anderer Teile eines menschlichen oder
tierischen Körpers
verwendet werden kann.