-
Die
Erfindung betrifft dreidimensionale optische Abbildungsverfahren
und insbesondere die Detektion und die dreidimensionale Abbildung
von absorbierenden und/oder streuenden Strukturen in komplexen Medien,
wie beispielsweise dem Gewebe des menschlichen Körpers, indem das von dem Medium
ausgehende gestreute Licht detektiert wird.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Die
meisten medizinischen, diagnostischen Vorrichtungen, die dazu geeignet
sind, ein dreidimensionales Bild eines inneren Bereichs des menschlichen
Körpers
zu liefern, sind extrem sperrig und kostspielig. Der Platzbedarf
und die Kosten von Vorrichtungen für die Spinresonanztomographie
(magnetic resonance imaging; MRI) sind die Ursache dafür, dass
diese Vorrichtungen keine praktische diagnostische Option darstellen,
sogar wenn ein dreidimensionales Bild für eine vernünftige Diagnose erforderlich ist.
Herkömmliche
computerunterstützte,
tomographische Scannersysteme (computer-aided tomography scanning
systems; CAT) weisen zusätzlich
zu der Tatsache, dass diese Systeme sperrig und kostspielig sind,
den Nachteil auf, dass der Patient einer möglicherweise schädlichen
Strahlung ausgesetzt wird.
-
Optische
Verfahren für
die Detektion und die Identifizierung von Objekten, die von streuenden
Medien umschlossen sind, wie beispielsweise von menschlichem Gewebe,
weisen Vorteile auf, da optische Systeme kompakt, leichtgewichtig
und verhältnismäßig kostengünstig sein
können,
während
ferner keine Notwendigkeit für
eine Verwendung von Strahlung aus schädlichen Bereichen des elektromagnetischen
Spektrums besteht. Optische Systeme sind ferner dazu geeignet, die
chemische Zusammensetzung einer Struktur zu bestimmen, indem eine
spektrale Analyse durchgeführt
wird. MRI- oder CAT-Abbildungssysteme weise eine derartige Fähigkeit
nicht auf.
-
Ein
Problem bei optischen Systemen für
medizinische Anwendungen besteht darin, dass der menschliche Körper ein
trübes
oder streuendes Medium darstellt, was bewirkt, dass einfallendes
Licht diffus von einem Zielobjekt weg gerichtet wird, wodurch die
Ortsinformation und die Oberflächentopologieinformation
des Objekts verschleiert wird. Ein nützliches optisches Diagnosegerät zum Abbilden von
Objekten, die von trüben
Medien umschlossen sind, muss dazu in der Lage sein, nützliche
Informationen aus den mehrfach gestreuten Lichtsignalen zu extrahieren,
die von dem umschlossenen Ziel reflektiert worden sind.
-
Die
U.S.-PS 5,664,574 (Chance) beschreibt die Abbildung von Gewebe mittels
optischer Techniken mit einer Kombination aus mit Hochfrequenz modulierten
optischen Sendern und dazugehörigen Empfängern. Das
System umfasst mehrere Eingangsanschlüsse zum Einbringen von optischer Strahlung
in das Gewebe sowie mehrere Ausgangsanschlüsse zum Erfassen gestreuter
Strahlung von dem Gewebe, wobei die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse jeweilige
Anordnungen bzw. Arrays ausbilden, die geformt sind, um im allgemeinen
einem vorher ausgewählten
Bereich der Anatomie eines menschlichen Körpers zu entsprechen. Die von Chance
beschriebene Technik basiert auf unterschiedlichen Phasenwinkeln
des übertragenen
Lichts und auf einem Erfassen der Phasenunterschiede im empfangenen
Licht. Somit basiert Chance maßgeblich
auf der Phasenverschiebung, um ein Bild des Gewebes zu erzeugen.
-
Die
U.S.-PS 5,213,105 (Gratton et al) basiert ebenfalls auf den Phasenunterschieden
in dem übertragenen
und dem empfangenen Licht. Das optische Abbildungssystem umfasst
eine Laserquelle, deren Ausgang über
ein Bündel
von optischen Fasern mit dem analysierten Körperabschnitt verbunden ist,
wobei die übertragene
Strahlung von einem zweiten Bündel
von optischen Fasern aufgenommen wird. Die Bündel sind auf einer kopfhörerartigen
Vorrichtung angeordnet.
-
Die
U.S.-PS 5,625,458 (Alfano et al) beschreibt die Übertragung und Detektion von
Fermatschen Photonen als eine Hauptquelle der Bilderzeugung. Diese
Technik erfordert ein Erfassen und ein Messen der führenden
Kante eines gepulsten Lichtstrahls. Die Vorrichtung umfasst mehrere
Eingabe- und Ausgabefasern, um temporäre Profite um den zu analysierenden
Körper
zu sammeln.
-
Die
EP-PS 0 614 645 (Hitachi) beschreibt verschiedene Lichtübertragungselemente
und Lichtempfangselemente. Ferner wird die Verwendung einer optischen
Faserhalterung, die die Strangenden der Fasern zum Übertragen
und Empfangen auf der Seite des untersuchten Patienten festhält.
-
Jede
der vorstehend erwähnten
Druckschriften ist in dem Typ der zu verwendenden Lichtquelle begrenzt,
oder erkennt nicht den Bedarf für
einen genauen Mechanismus oder ein genaues Verfahren, um die Lichtquellen
zum Übertragen
und Empfangen mit dem Gewebe abzustimmen.
-
Die
U.S.-PS 5,137,355 (Barbour et al) mit dem Titel "Method of Imaging a Random Medium" (nachstehend als
das "Barbour '355 Patent" bezeichnet) beschreibt
eine nicht eindringende, medizinische Abbildungstechnik, die auf
der Messung von gestreutem Licht im nahen Infrarotbereich (near-infrared; NIR)
des elektromagnetischen Spektrums basiert, wo ein bedeutendes Eindringen
in das Körpergewebe
auftritt. Vor der vorstehend erwähnten
Technik ist viel Arbeit hinsichtlich der optischen Detektion von Targets
in trüben
Medien aufgewendet worden, wobei das Problem, die Tiefe oder die
Struktur eines umschlossenen Objekts abzubilden, jedoch bestehen
blieb. Die Technik des "Barbour '355 Patents" ermöglichte
es einem Benutzer, Zielobjekte, die innerhalb eines trüben Mediums
vorhanden sind, genau zu bestimmten, dreidimensional abzubilden
und spektroskopisch zu charakterisieren.
-
Die
in dem "Barbour '355 Patent" beschriebene Technik
verwendet eine kollimierte Multiwellenlängenquelle sowie einen kollimierten
Empfänger und
führt einen
Positionsscan sowie einen Winkelscan des gestreuten Lichts von der
Probe für
jede Position des einfallenden Strahls durch. Die Technik erlaubt
die Bestimmung der Tiefe eines Objekts, der Struktur eines Objekts
sowie der Absorptions- und Streueigenschaften innerhalb des trüben Mediums.
-
Die
in dem "Barbour '355 Patent" beschriebene Vorgehensweise
stellt eine grundlegende Beschreibung hinsichtlich des Problems
dar, wie Bilder der inneren Struktur von hochgradig streuenden Medien
gewonnen werden können.
Die einzige Erfordernis besteht darin, dass angenommen wird, dass
das erfasste Signal eine hinreichende Streuung durchgemacht hat,
so dass jede Ausbreitung akkurat gemäß einem Teilchenbild (d. h.
der Strahlungstransportgleichung) beschrieben werden kann. Somit
funktioniert diese Vorgehensweise für jedweden Typ einer Energiequelle
(z. B. elektromagnetisch, akustisch, Teilchenstrahl) und für jedweden
Quellenzustand (z. B. Gleichstrom, zeitlich aufgelöst oder
Wechselstrom) hinsichtlich der Einschätzung der zeitlichen Eigenschaften
des sich ausbreitenden Signals. Obwohl diese Vorgehensweise allgemein
richtig ist, werden bestimmte Details hinsichtlich der Frage, wie
eine Messung am besten durchgeführt
werden soll, insbesondere unter nichtidealen Bedingungen, nicht
angegeben.
-
Beispielsweise
besteht eine bevorzugte Erfordernis für die Erzeugung eines Bildes
hoher Qualität
in der Eliminierung von solchen nicht idealen Faktoren, wie Bewegungsartefakten, die
durch die unvermeidbare Bewegung erzeugt werden, die durch die Atmung
und den Herzschlag des Patienten hervorgerufen werden.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte optische Abbildungsvorrichtung
sowie ein entsprechendes Verfahren zum Abbilden ungleichförmiger Probengeometrien,
wobei Bewegungsartefakte auf ein Mindestmaß beschränkt werden.
-
Dies
wird mittels einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren
gemäß Anspruch 24
erreicht. Zusätzliche
Merkmale sind in den anderen Ansprüchen beschrieben.
-
Mehrere
optische Quellen sind für
die Verwendung in der Vorrichtung geeignet, einschließlich Diodenlaser,
Ti:Saphirlaser, Farbstofflaser, Multiwellenlängenlaser, CW-Laser und Impulslaser.
In der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform emittiert
die optische Quelle Licht im nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen
Spektrums. Die Faseranordnung weist verschiebbare lichtempfangende Enden
angrenzend an die Lichtquelle auf.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung eine fokussierende Linse, die zwischen der
optischen Quelle und der Faseranordnung angeordnet ist. Zusätzlich kann
das einstellbare Trägerelement
aus einem deformierbaren Material mit Kunststoffgedächtnis hergestellt
sein oder aus mechanischen Elementen bestehen, die eine oder mehrere
konzentrisch einstellbare Irisblenden ausbilden. Die bevorzugte
Ausführungsform
umfasst außerdem
einen Dämpfer,
der zwischen der zweiten, lichtempfangenden Faseranordnung und der
Detektoranordnung angeordnet ist, um den dynamischen Bereich des
von der Probe gesammelten Lichts zu steuern.
-
Die
weiteren erfindungsgemäßen Merkmale, Aspekte
und Vorteile ergeben sich anhand der nachstehenden detaillierten
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform sowie der begleitenden
Zeichnungen.
-
Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
-
1 zeigt ein Gesamtsystemblockdiagramm
des klinischen, optischen NIR-Scanner-Abbildungssystem gemäß der Erfindung.
-
2A zeigt eine vergrößerte perspektivische
Ansicht eines einstellbaren Irisblendediaphragmas gemäß der Erfindung.
-
2B zeigt eine perspektivische
Ansicht einer einstellbaren Irisblendenanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
2C zeigt eine vergrößerte perspektivische
Ansicht einer einstellbaren Irisblendenanordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
-
3 zeigt eine perspektivische
Ansicht einer Dämpferanordnung.
-
4A zeigt eine Draufsicht
eines Ausgangsverbindungselements gemäß der vorliegenden Erfindung.
-
4B zeigt eine Darstellung
einer Detektoranordnung in Form eines Diagramms.
-
5A zeigt eine Vorderansicht
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
als zweiköpfiger Brustscanner.
-
5B zeigt eine vergrößerte Seitenansicht von
einem der Scannerköpfe
des in 5A dargestellten
zweiköpfigen
Brustscanners.
-
Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird eine optische Abbildungsvorrichtung bereitgestellt, die
das dreidimensionale Abbilden ungleichförmiger Geometrien erlaubt.
In der vorliegenden Form kann die Vorrichtung konfiguriert werden,
das Sammeln von gestreutem Licht von unebenen Proben zu optimieren,
und die Vorrichtung ist dazu geeignet, Bewegungsartefakte zu vermindern,
indem eine konforme Struktur erzeugt wird, die die ungleichförmige, untersuchte
Körpergeometrie
umgibt und begrenzt, um somit sowohl eine Stabilisierung als auch
eine genaue geometrische Information zu liefern, die für die Bildverarbeitung
erforderlich ist.
-
In
der bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
erfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
Licht, das von einer optischen Inhomogenität, wie beispielsweise einem
Tumor, gestreut wird, die innerhalb eines optisch dispersiven Mediums,
wie dem normalen menschlichen Gewebe, liegt. Die Quellenfasern richten
Licht auf ein Targetmedium (z. B. Körpergewebe) über eine
konforme Struktur. Das Licht, das sich durch das Medium fortbewegt,
wird mehrfach gestreut werden, bevor es austritt. Das austretende
Licht wird mittels empfangenden Faserbündeln gesammelt, die ebenfalls
innerhalb der konformen Struktur enthalten sind.
-
Die
vorliegende Erfindung charakterisiert den relativen Beitrag des
austretenden Lichts von jedem Abschnitt des Targetmediums, von dem
Licht gestreut wird. Die Charakterisierung berücksichtigt sowohl die Tiefe
des Targetabschnitts, der untersucht wird, als auch den Abstand
sowie den Winkel der empfangenden Fasern relativ zu den Quellenfasern. Die
Targetdaten werden basierend auf vorhergehenden kalibirierten Messungen
ortsabhängiger
Flussinformation vom Streumedium bestimmt; die genaue Kenntnis der
Quellen- und Empfängerfaserpositionen
relativ zu dem Target ist daher von größter Bedeutung. Die konforme
Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung
verbessert die Genauigkeit dieser Positionsinformation im Vergleich
mit herkömmlichen Vorrichtungen.
Sobald die relativen Beiträge
von jedem Targetabschnitt bestimmt worden sind, wird diese Information
verwendet, mittels eines Computers ein dreidimensionales Bild zu
rekonstruieren.
-
1 zeigt ein Gesamtsystemblockdiagramm
der bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen, optischen
NIR-Scannersystems. Das System umfasst eine optische Quellenanordnung 100,
eine einstellbare Irisblendenanordnung 130, eine Dämpferanordnung 160,
eine Detektoranordnung 180 sowie einen Computer 190.
Die optische Quellenanordnung 100 umfasst eine im nahen Infrarot
emittierende Quelle 102, eine fokussierende Linse 104 sowie
eine verschiebbare Faseranordnung 106. Ein Bruchteil des
aus der optischen Quellenanordnung 100 austretenden Lichts
wird zu einem Referenzdetektor 110 abgezweigt, so dass
Fluktuationen des Quellenleistungspegel überwacht und korrigiert werden
können.
Der übrige
Teil des Lichts wird auf die einstellbare Irisblendenanordnung 130 gerichtet,
die übertragende
und empfangende Faserbündel 145 zum
Richten und Sammeln von Licht bei der Targetprobe 140 beherbergt.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
umfasst die einstellbare Irisblendenanordnung 130 eine Vielzahl
konformer Irisblendendiaphragmen (nicht gezeigt), die angepasst
sind, an die besondere Oberflächengeometrie
der Targetprobe 140 zu passen. Die konformen Irisblendendiaphragmen
beherbergen die distalen Enden der übertragenden und der empfangenden
Faserbündel 145,
die Licht zu der Targetprobe 140 senden und Licht von dieser
empfangen. In einer alternativen Ausführungsform ist die einstellbare
Anordnung aus einem deformierbaren Material hergestellt. Licht,
das von den empfangenden Faserbündeln 155 gesammelt
wird, wird zu der Dämpferanordnung 160 gerichtet,
so dass der große
dynamische Bereich der gestreuten Lichtintensitäten, die aus der Targetprobe 140 austreten,
angepasst werden kann. Die Dämpferanordnung 160 umfasst
eine Vielzahl von Dämpfern
unterschiedlicher optischer Stärke.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform
handelt es sich bei den Dämpfern
um Neutraldichtefilter. In einer anderen Ausführungsform handelt es sich
bei den Dämpfern
um Polarisatoren.
-
Nachdem
das Licht durch die Dämpferanordnung 160 durchgetreten
ist, wird das Licht auf die Detektoranordnung 180 gerichtet,
bei der es sich vorzugsweise um eine herkömmliche Ladungskopplungsspeicher-
bzw. CCD-Anordnung handelt. Die elektrischen Signale, die die dreidimensionale
Bildinformation darstellen, werden zur Bildrekonstruktion von der
Detektoranordnung 180 zum Computer 190 gesendet.
Das System unterscheidet sich somit unter anderem von dem in dem '355-Patent beschriebenen System
in der Art und Weise, wie abbildendes Licht auf das untersuchte
Medium gerichtet wird und von diesem gesammelt wird.
-
2A zeigt eine vergrößerte perspektivische
Ansicht eines einstellbaren Irisblendendiaphragmas 200 einschließlich übertragender/empfangender
Bündel 210 und
einer Irisblendenöffnung 220. 2B zeigt eine perspektivische
Ansicht einer einstellbaren Irisblendenanordnung 240. Die übertragenden/empfangenden
Bündel 210 sind
detaillierter dargestellt, wie durch das beispielhafte Bündel 225 angedeutet
ist. In 2B sind achtzehn übertragende/empfangende
Bündel 225 dargestellt.
Die übertragenden/empfangenden
Bündel 225 werden
feststehend durch Trägerstrukturen 230 und 235 getragen; die
Trägerstruktur 230 verbindet
die übertragenden/empfangenden
Bündel 225 mit
dem Irisblendendiaphragma 245 und die Trägerstruktur 235 bringt
die übertragenden/empfangenden
Bündel 225 in
Berührung
mit der untersuchten Probe (nicht gezeigt). Das Irisblendendiaphragma 245 ist
einstellbar, um schmiegsam an die untersuchte Probe zu passen.
-
2C zeigt eine vergrößerte, perspektivische
Darstellung einer einstellbaren Irisblendenanordnung 240.
Die Trägerstrukturen 235 sind
im Detail gezeigt, wobei sich Metallstäbe 250 unterhalb der
Faseranschlüsse 255 erstrecken,
um sicherzustellen, dass sich alle Träger 235 zusammen bewegen,
wenn das Irisblendendiaphragma 245 geöffnet oder geschlossen wird.
Das Irisblendendiaphragma 245 kann zum Beispiel aus einer
Reihe von teilweise überlappenden,
flexiblen Stallplättchen
hergestellt werden, an die die Stäbe 250 angebracht
sind, so dass der Grad der Überlappung
der flexiblen Stahlplättchen
den Durchmesser der Irisblendenöffnung bestimmt.
Zahlreiche andere strukturelle Alternativen sind möglich, um
diese Anpassbarkeit zu erreichen.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
besteht die Irisblende aus einem feststehenden Trägerrahmen,
wobei die Träger 235 axial
und einzeln in Richtung oder weg von der Öffnung bewegt werden können. Die
periphere Konformität
der Bündelenden wird
erreicht, indem die Träger 235 einzeln
in Berührung
oder in die unmittelbare Nähe
mit dem abzubildenden Gewebe gebracht werden.
-
3 zeigt eine Dämpferanordnung 300,
die einen äußeren Zylinder 310,
einen inneren Zylinder 320, empfangende Bündel 320,
Dämpfer 340 und übertragende
Bündel 350 umfasst.
-
4B zeigt die Detektoranordnung 400 mit angebrachten übertragenden
Bündeln 410.
-
5A zeigt eine Vorderansicht
der erfindungsgemäßen Ausführungsform
als zweiköpfiger Brustscanner,
wobei die zwei Scannerköpfe 510 dargestellt
sind. 5B zeigt eine
vergrößerte Seitenansicht
von einem der Scannerköpfe 510 einschließlich einstellbarer
Irisblenden 520, 530 und 540.
-
Die
optische Quellenanordnung 100 erzeugt Licht im nahen Infrarotbereich
(NIR-Licht) zur Bestrahlung der untersuchten Probe. Eine Vielzahl
von NIR-Lasern 102, wie beispielsweise Diodenlaser, Ti:Saphirlaser
und Farbstofflaser, können
verwendet werden, die von einem CW-Betrieb bis zu zeitlich sehr
kurzen Pulsen reichen. Das Übertragen
des Laserlichts in die Faseranordnung 106 wird erreicht,
indem das Licht auf die proximalen Enden der Fasern unter Verwendung
einer fokussierenden Linse 104 fokussiert wird. Die mechanisch
angetriebene, verschiebbare Faseranordnung 106 enthält wenigstens 100
ummantelte Faserbündel 120,
wobei jedes Bündel
zahlreiche Fasern kleinen Durchmessers (< 200 μ) mit einer aktiven Gesamtoberfläche von
wenigstens 2 mm2 enthält.
-
Übertragende
Faserbündel 120 werden
eingesetzt, um das NIR-Laserlicht über übertragende/empfangende Bündel 120 zu
verschiedenen Stellen innerhalb der einstellbaren Irisblendenanordnung 130 zu
leiten.
-
Die
einstellbare Irisblendeanordnung 130 umfasst mehrere parallele,
einstellbare Irisblendeneinheiten, von denen jede wenigstens 20 übertragende/empfangende
Bündel 120 beherbergt.
Die einstellbare Irisblendenanordnung 130 ist feststehend an
ein äußeres Gehäuse angebracht,
das dazu dient, Umgebungslicht auszuschließen. Eines der individuell
einstellbaren Irisblendendiaphragmen, das innerhalb der Anordnung 130 enthalten
ist, ist in den 2A, 2B und 2C gezeigt. Diese Irisblendendiaphragmen
passen schmiegsam an die Targetprobe, die in der Öffnung 220 angeordnet
ist, wo die übertragenden
und empfangenden Faserbündel 210 Licht richten
und sammeln.
-
Wenn
Licht von einem Objekt hoher Dichte, wie beispielsweise einem Tumor,
gestreut wird, das von einem hochgradig streuenden Medium, wie es menschliches
Gewebe darstellt, umschlossen ist, dann tritt ein großer dynamischer
Bereich von austretenden Signalpegeln auf.
-
Die
stärksten
Signale werden die sein, die direkt in der Nähe der Quelle zurück gestreut
werden; Signale, die unter schiefen Winkeln gestreut werden und
mehrmals innerhalb des Gewebes reflektiert werden, werden beträchtlich
schwächer
sein, als die direkt zurück
gestreuten Signale. Eine Dämpfung
einiger austretender Signale ist somit notwendig, und zwar insbesondere
eine Dämpfung
der Signale in der Nähe
einer einfallenden Lichtquelle. Bei tomographischen Messungen wird
sich die Position dieser Signale in Abhängigkeit der Position der Lichtquelle ändern.
-
Die
selektive Dämpfung
von bestimmten Faserbündeln
kann für
jedwede Position der Lichtquelle unter Verwendung der in 3 dargestellten Dämpferanordnung 300 wirksam
erreicht werden. Die Dämpferanordnung 300 umfasst
zwei stationäre, konzentrische
zylindrische Gehäuse,
nämlich
den äußeren Zylinder 310 und
den inneren Zylinder 320, zwischen denen sich eine rotierende
Struktur befindet, die eine Vielzahl von Dämpfern 340 aufweist.
In einer Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei den Dämpfern um abgestufte Neutraldichtefilter. In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung handelt es sich bei den Dämpfern um Polarisatoren.
-
Wie
sich 3 entnehmen lässt, beherbergt der
innere Zylinder 320 die distalen Enden der empfangenden
Bündel 330,
die von der einstellbaren Irisblendenanordnung 130 kommen;
diese Bündel
liefern die Lichtsignale, die von der Targetprobe 140 gesammelt
werden. Das Licht, das von den empfangenden Bündeln 330 ausgeht,
wird durch die Dämpfer 340 selektiv
gedämpft.
Der äußere Zylinder 310 beherbergt übertragende
Bündel 350,
die das Licht sammeln, das aus den Dämpfern 340 austritt,
und das abgedämpfte
Licht über
die in 4B gezeigte Ausgangsverbindung
auf die in 4B dargestellte Detektoranordnung 400 lenken.
-
Wie
sich 4A entnehmen lässt, wird
die Ausgangsverbindung 420 von der äußeren Halterung 430 und
der inneren Halterung 435 gehalten. Die innere Halterung 435 hält die Faserbündel 450 mittels Halterungsschrauben 440 an
Ort und Stelle. Die Faserbündel 450 senden
Licht von der Dämpferanordnung 300 zu
der Detektoranordnung 400.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
wird eine verbesserte Signalstärke
durch das Positionieren einer Linse (nicht gezeigt) innerhalb des äußeren Zylinders 310 erreicht,
um divergierendes Licht von den empfangenden Bündeln 330 auf die
proximalen Enden der übertragenden
Bündel 350 zu
fokussieren. In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung kann
bei Fluoreszenzapplikationen ein wellenlängenselektiver Filter zusätzlich zwischen
den empfan genden Bündeln 330 und
den übertragenden
Bündeln 350 angeordnet
werden, um das anregende Feld zu blockieren.
-
Licht,
das von den übertragenden
Bündeln 350 von
den Dämpfern 340 gesammelt
wird, wird auf die in 4B gezeigte
Detektoranordnung 400 gerichtet. Je nach dem Typ des Lasers 102 und
der erwarteten klinischen Applikation, kann jedweder Detektor bzw.
jedwede Detektoranordnung aus einer Vielzahl von optischen Detektoren
bzw. Detektoranordnungen 400 eingesetzt werden. Eine gekühlte, lineare
CCD-Anordnung ist für
die meisten Applikationen geeignet. Wie es der Fachmann erkennt,
hält eine
geeignete Struktur (nicht gezeigt), die an der Vorderseite der Detektoranordnung 400 angebracht ist,
die Enden der übertragenden
Bündel 350 in
einer feststehenden Position hinsichtlich der Detektoranordnung 400 fest,
so dass eine genaue Positionsinformation erhalten werden kann.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung besteht das äußere Gehäuse aus schwarzem Kunststoff,
das ausgestaltet ist, die inneren Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vor dem Umgebungslicht zu schützen.
Eine weitere Ausführungsform
der Erfindung umfasst eine Gummiabdichtung, die eine wasserdichte
Abdichtung nach außen
ausbilden kann, wodurch das Füllen
der Kammer mit einer Streuflüssigkeit
möglich
wird. Die Gummiabdichtung und die Streuflüssigkeit verbessern die Grenzflächenverbindungseigenschaften
zwischen den Fasern und der Probe, die für eine Berechnung des Bildes
erforderlich sind.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung kann in geeigneten Fällen ein zweiköpfiger Scanner
verwendet werden, um differentielle Messungen von bilateralen Ansätzen (zum
Beispiel von Brüsten
und Gliedmaßen)
zu ermöglichen. 5A zeigt eine Vorderansicht
eines zweiköpfigen
Scanners. In dieser Ausführungsform
umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen zweiköpfigen
Scanner 510, der zwei einstellbare Irisblendenanordnungen 130 enthält, und
passt sich gleichzeitig an beide Brüste der Patientin an. 5B stellt eine vergrößerte Seitenansicht
von einem der Köpfe
des zweiköpfigen
Scanners 510 dar, die drei einstellbare Irisblenden 520, 530 und 540 zu
illustrativen Zwecken zeigt.
-
Das
gemessene Signal, das von der Detektoranordnung 400 erhalten
wird, wird digitalisiert und zu einem Hostcomputer gesendet, der
gleichfalls den Betrieb der Elektronik, der Quellenverschiebung
und die Position der Dämpfer 340 steuert.
Der Hostcomputer wird ferner dazu verwendet, die rekonstruierten Bilder
zu berechnen und diese auf dem Display anzuzeigen.
-
Die
Bildrekonstruktion wird unter Verwendung der in der U.S.-PS 5,137,355
beschriebenen Verfahren durchgeführt.
Diese Verfahren berücksichtigen
das Modellieren des Photonentransports mittels eines Teilchenmodells
und analysieren die gemessenen Daten unter Verwendung einer beliebigen
algebraischen Lösungsroutine
aus einer Vielzahl von algebraischen Lösungsroutinen, die ein lineares
Störungsmodel
auswerten.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst die optische Quelleneinheit 100 eine Multiwellenlängenquelle
oder Multiwellenlängenquellen.
In einer noch weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird der Scanner im Fluoreszenz-Detektions-Modus betrieben.
-
Ein
wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass
die erfindungsgemäße Vorrichtung
dazu geeignet ist, die Targetstruktur gegenüber Bewegungsartefakten zu
stabilisieren, während
diese gleichzeitig schmiegsam an eine reguläre Geometrie passt. Letzteres
ist aufgrund der erwarteten verbesserten Effizienz vorteilhaft,
die bei numerischen Berechnungen gewonnen wird, wenn Strukturen
mit regulären
Grenzflächen
im Vergleich mit Strukturen mit zufälligen Grenzflächen ausgewertet werden.
Weitere Ausgestaltungsmerkmale umfassen ferner die Fähigkeit
des Messkopfes, behutsame Berührungsmessungen
zu ermöglichen
(d. h. eine starke Kompression ist nicht notwendig), und die geometrische
Anpassbarkeit der Einheit, die es dieser ermöglicht, mit einer Vielzahl
von Körperstrukturen
eine Schnittstelle auszubilden.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
wird letzteres unter Verwendung einer mechanischen Irisblende erreicht,
an die optische Fasern angebracht sind. Die Einstellungen der Öffnung der
Irisblende kann mittels Bewegungssteuerungsvorrichtungen erreicht
werden, die von der Steuereinheit gesteuert werden. Ferner kann
der Irisblendenkopf ohne weiteres erweitert werden, um eine Anordnung
von beabstandeten Irisblenden zu umfassen, die zum Beispiel in im
Wesentlichen parallelen Ebenen angeordnet sind, um somit eine Vorderseitenmessung
von dreidimensionalen Strukturen zu ermöglichen.
-
Optische
Energie, zum Beispiel von einer Laserquelle, wird in eine optische
Faser eingebracht, die an der Irisblendeneinheit endet. Dies kann
auf verschiedene Arten und Weisen verwirklicht werden. In einer
Ausführungsform
sind die übertragenden
Faserbündel
in einer kreisförmigen
Anordnung positioniert, die in einer zylindrischen Struktur untergebracht
ist, in der ein rotierendes Prisma, das von einem Computer gesteuert
wird, angeordnet ist, das das Licht in die Fasern umlenkt. Die Fasern
sind ummantelt, um vor dem umgebenden Licht zu schützen. Ebenso
sind innerhalb der Irisblendeneinheit empfangende Fasern angeordnet.
Die Enden dieser Fasern können
angrenzend an die jeweiligen lichtaussendenden Enden der übertragenden
Fasern oder an anderen Stellen angeordnet werden. Die genaue Geometrie
der Anordnung von übertragenden
und empfangenden Fasern ist unkritisch. Es muss lediglich sichergestellt
sein, dass den beiden Quellenfasern ein hinreichendes Gesichtsfeld
zur Verfügung steht.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
werden zweisträngige
Fasern verwendet, die in Form eines "Bullenauges" angeordnet sind. Der mittlere Abschnitt
des Auges enthält
die übertragenden
Faserbündel;
außen
herum liegen die empfangenden Fasern. Der Irisblendenkopf selbst
kann aus einer einzelnen Einheit oder aus mehreren Einheiten bestehen.
Im letzteren Fall erzeugt Licht, das an einer beliebigen Stelle
innerhalb der Anordnung eintritt, Licht, das an allen Stellen aus
dem Targetgewebe austritt. Das empfangene Licht wird sodann über die
empfangenden Fasern zu einer Filtereinheit übertragen, die dazu dient,
erwartete Signale hoher Intensität
zu dämpfen,
die in der Nähe
jedweder Quellenfaser vorhanden sind.
-
Um
ein Repositonieren der Quelle zu ermöglichen, muss gleichfalls die
Filtereinheit repositioniert werden. Dies wird unter Verwendung
einer beweglichen Filteranordnung erreicht, deren Position synchron
mit dem Ort der Quellenfaser ist. In einer Ausführungsform gibt es zwei feststehende,
verschachtelte Zylinder, wobei einer der Zylinder Fasern von der
Irisblendeneinheit beherbergt und ein gegenüberliegender Satz empfangende
Fasern beherbergt, die in einem kleinen Abstand angeordnet sind.
Dazwischen ist eine bewegliche Filteranordnung angeordnet, deren
Positionierung mit der Quellenfaser synchronisiert ist. In einer
weiteren Ausführungsform der
Filtereinheit sind Fasern von der Irisblendeneinheit sowie gegenüberliegende
empfangende Fasern in kreisförmigen
Scheiben beherbergt, zwischen denen sich eine rotierende Filteranordnung
befindet. In beiden Ausführungsformen
wird üblicherweise
eine Dämpfung
des empfangenen Signals lediglich für Signale in der Nähe einer
Quelle erforderlich sein, obwohl eine Dämpfung von Signalen von weiter
entfernten Fasern eingesetzt werden kann, falls dies erforderlich
ist oder erwünscht
wird. Selbstverständlich weisen
die empfangenden Fasern gegenüber
einer Quellenfaser weitaus geringere Intensitäten auf und in diesen Fällen ist
eine zusätzliche
Signaldämpfung unnötig und
unter normalen Umständen
unerwünscht.
-
Licht,
das durch die Filtereinheit durchtritt, wird sodann zu einem optischen
Detektor gelenkt. Hier können
wiederum zahlreiche Ausgestaltungen verwendet werden. In einem Fall
können
einzelne Detektoren derart angeordnet sein, dass diese direkt Licht
empfangen, das durch den rotierenden Filter durch tritt. In einem
anderen Fall kann Licht, das zu den gegenüberliegenden empfangenden Filtern
in der Filtereinheit übertragen
wird, über
eine Schnittstelle zu einer Faserverjüngung übertragen werden, deren schmales
Ende in Berührung
mit einem Flächendetektor,
wie beispielsweise einem zweidimensionalen CCD- oder CID-Detektor,
angeordnet ist.
-
Das
beschriebene System kann zurecht als eine geometrische, adaptive
Schnittstellenvorrichtung betrachtet werden. An einem Ende befindet
sich eine Lichtquelle, und an dem anderen Ende befindet sich ein
Detektor. Dazwischen befindet sich die Irisblendeneinheit und entsprechende
Vorrichtungen, die dazu benötigt
werden, um Licht zu der Irisblende zu lenken und um jedwede notwendige
Signalverarbeitung (zum Beispiel Dämpfung) durchzuführen. Somit
kann diese Einheit ohne weiteres jedweden Zustand der Lichtquelle
unterstützen,
wie beispielsweise Gleichstromquellen, amplitudenmodulierte Quellen
oder gepulste Quellen. Sie beherbergt ferner ohne weiteres jedweden
Detektor, der für
den gewählten
Quellenzustand geeignet ist.
-
Im
Gebrauch ist die Irisblendeneinheit selbst vorzugsweise innerhalb
eines Gehäuse
untergebracht, das diese vor dem umgebenden Licht schützt. Sie
könnte
ebenso ausgestaltet sein, um das Einbringen einer Streuflüssigkeit
in den Irisblendenkopf zu ermöglichen,
um somit die Randbedingungen zu vereinfachen. Im letzteren Fall
wird eine flüssigkeitsdichte
Abdichtung in der Form eines Gummiarms benötigt, der mit dem Targetgewebe
in Verbindung treten kann.
-
Gemessene
Daten, die von der beschriebenen Vorrichtung erhalten werden, werden
anschließend
analysiert, wie es in dem vorstehend erwähnten Barbour '335-Patent beschrieben
wird. Im Grunde genommen kann nahezu jedweder Typ eines Pertubationsverfahrens
verwendet werden. Typischerweise umfassen diese einen Typen eines
algebraischen Rekonstruktionsverfahrens. Lösungen können auf die Bova- oder Rytovnäherung erster
Ordnung beschränkt
werden, oder iterative newtonartige Lösungen können verwendet werden. Wie
man erkennt, können
im letzteren Fall die Messungsdaten, die von einer regulären Geometrie
gewonnen werden, effizienter analysiert werden als Daten von einem
Objekt mit beliebigen Grenzflächen.
Dies ist eines der wichtigen Merkmale, die mittels der erfindungsgemäßen Blendeneinheit
verwirklicht werden.
-
Neben
der Analyse der gemessenen Daten zur Bildrekonstruktion erkennt
man ferner, dass die Daten unabhängig
voneinander gemäß einem
Merkmalsextraktionsprogramm analysiert werden können. Es ist im allgemeinen
anerkannt, dass, da die Außengeometrie
eines Testobjekts (zum Beispiel einer Brust) feststeht und bekannt
ist, dies dahin wirkt, die Anzahl möglicher Muster innerhalb eines
tomographischen Datensatzes zu beschränken. A priori ist es vernünftig, zu
erwarten, dass unterschiedliche Pathologien unterschiedliche Einflüsse auf die
Lichtausbreitung in dem Gewebe haben werden. Sollte die Außengeometrie
des Targets hochgradig begrenzt sein (z. B. ein Kreis), dann kann
der Bereich möglicher
Muster innerhalb der Daten auf ähnliche
Art und Weise beschränkt
sein. Zusätzlich
dazu, dass die Irisblendeneinheit gegen Bewegungsartefakte schützt, ermöglicht diese
somit die Messung von Daten, die sehr gut dazu geeignet sind, ein
Bildrekonstruktionsproblem als ein Merkmalsextraktionsproblem zu
analysieren. Merkmalsextraktion wird ohne weiteres mittels herkömmlicher
Schemata für
neuronale Netzwerke, wie zum Beispiel der Zurückverfolgung, berechnet. In
diesem Fall werden die Trainingsvektoren (mit anderen Worten üblicherweise
Daten) aus Messungen abgeleitet werden, die an Patienten durchgeführt worden
sind, die bekannte, wohldefinierte Pathologien aufweisen.
-
Für Messungen
von menschlichem Gewebe kann es erwartet werden, dass das untersuchte
Target ungleichförmige
Grenzflächen
aufweisen kann und für
Bewegungsartefakte anfällig
ist. Dies wäre beispielsweise
insbesondere der Fall bei nichtberührenden Begutachtungen der
Brust. Die Brust ist eine deformierbare Struktur. Ihre Außengeometrie
variiert mit der Orientierung des Patienten und dem Vorhandensein
von unterstützenden
Strukturen. Zusätzlich kann
es erwartet werden, dass die Atmung und die Herzaktivität unbekannte
Artefakte hervorrufen können.
-
Dieses
Arten von Unbekannten können
hinsichtlich der Erzeugung von Bildern hoher Qualität ein Problem
darstellen. Bewegungsartefakte stellen eine Rauschquelle in den
Messungsdaten dar, die die Bildqualität verschlechtert. Während die
Vorgehensweise von Barbour '355
dazu geeignet ist, Strukturen mit ungleichförmigen Grenzflächen auszuwerten, sind
die numerischen Verfahren, die auf Probleme dieses Typs angewendet
werden können
(z. B. finite Differenzen, Lösungsverfahren
basierend auf finiten Elementen), effizienter, wenn die Außenfläche glatt und
gleichförmig
ist (z. B. eine zylindrische Geometrie, eine Halbkugelgeometrie).
Dies ist insbesondere der Fall bei dem Fall von iterativen Lösungen des
inversen Problems, bei dem die Verwendung von Mehrgittervorwärtslösungsverfahren
(multi-grid forward solvers) die Berechnungszeiten beträchtlich vermindern
kann. Somit befriedigt die vorliegende Erfindung den Bedarf, Bewegungsartefakte
zu minimieren und gleichzeitig die Außengeometrie einer Targetstrutkur
einer einfachen Form anzupassen. Da die Messvorrichtung geometrisch
adaptiv ausgestaltet ist, sind Begutachtungen einer Vielzahl von
Körperstrukturen
möglich.
-
Zusammenfassend
lässt sich
somit sagen, dass die hier beschriebene Vorrichtung im Vergleich mit
herkömmlichen
optischen Scannern eine verbesserte Signalgüte bereitstellt. In der bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung umfasst die konforme Struktur eine auf Faser optik
basierende tomographische Anordnung, die innerhalb eines einstellbaren, mehrlagigen
Irisblendenrahmen untergebracht ist, der zahlreiche optische Fasern
in direkte Berührung mit
der Haut bringen kann, während
lediglich ein leichter bis moderater Druck auf das Körpergewebe ausgeübt wird.
Diese Ausgestaltung dient mehreren nützlichen Zwecken. Sie wirkt
dahin, die Gewebestruktur während
der Datenaufnahme mechanisch zu stabilisieren, um somit Bewegungsartefakte
auf ein Mindestmaß zu
reduzieren. Unter bestimmten Umständen wirkt sie ferner dahin,
dass das Gewebe die Geometrie der Irisblendenöffnungen annimmt. Dies ermöglicht eine
verbesserte Signalerfassung, während
gleichzeitig eine genaue Kenntnis der Position der optischen Fasern
in Hinsicht auf die Geometrie des Targetmediums möglich gemacht
wird. Indem die Öffnung
von jeder der mehrlagigen Irisblenden hinsichtlich der Gewebegeometrie
angepasst werden, kann eine genaue Anpassung an ungleichförmige Körperstrukturen
(z. B. an die Brust) erreicht werden. Die gesamte Irisblendenanordnung
ist innerhalb eines größeren Rahmes
feststehend untergebracht, der dazu dient, umgebendes Licht zu blockieren,
und der mit streuender Flüssigkeit
gefüllt
werden kann, um einen verbesserte Übereinstimmung der Grenzflächen zu
erreichen.
-
Die
hier beschriebene Vorrichtung und das hier beschriebene System ermöglichen
praktische optische, tomografische Abbildungsstudien im nahen Infrarotbereich
von dichten Gewebestrukturen für
die Erfassung und die Abbildung von zahlreichen pathologischen Zuständen (zum
Beispiel der Krebsdiagnose und des Verlaufs, die Auswertung sauerstoffarmer Zustände, der
Gefäßpathologie
und so weiter) unter Verwendung eines kostengünstigen, optischen Scanners.
Zusätzlich
setzt das System die fundamentalen Konzepte des Barbour '355 Patents um, während diese
verfeinert werden, um sehr genaue, hoch empfindliche Messungen von
ungleichförmigen
Geometrien zu erlauben.
-
Das
neue System ist ferner sehr flexibel und kann, wie vorstehend bemerkt,
ohne weiteres für
die Auswertung von zahlreichen Körperteilen
eines Erwachsenen (zum Beispiel von der Brust, den Gliedmaßen, den
Genitalien, dem Kopf und dem Nacken) und möglicherweise für die Auswertung
des gesamten Körpervolumens
eines Säuglings
angepasst werden. Das System kann ferner für tierärztliche Anwendungen verwendet
werden, beispielweise für
die Auswertung von Gliedmaßen
und Gelenken von Tieren, wie beispielsweise von berühmten und
erfolgreichen Rennpferden.
-
Die
beschriebene Einheit ist leicht und kompakt, weist moderate Energieanforderungen
auf und verwendet kostengünstige
optische Quellen und Detektoren. Zusätzlich wird die Erfassung tomographischer
Daten mit einem minimalen Grad von manueller Bedienung erreicht.
Die Produktionseinheiten passen ohne weiteres auf einen Laborwagen.
Kleine Modifikatio nen können
bei alternativen Ausführungsformen
erforderlich sein, wie zum Beispiel Messungen bei einer einzelnen
Wellenlänge
gegenüber
Messungen bei mehreren Wellenlängen,
optische Messungen gegenüber
Fluoreszenzmessungen sowie zweiköpfige
Einheiten. Der Schutzumfang der Erfindung ist nicht auf den medizinischen
Bereich beschränkt
und umfasst jedwede Anwendung dreidimensionaler Abbildung von Objekten,
die in trüben Medien
eingeschlossen sind, wie zum Beispiel die Fernuntersuchung von Nahrungsmitteln.
-
Ein
Vorteil der Erfindung besteht in der Erkenntnis der Empfindlichkeit
der Bildgenauigkeit und der Stabilität gegenüber Fehlern im Wissen um die externe
Geometrie des Gewebes, die Position der Quellen und Detektoren sowie
die Empfindlichkeit gegenüber
Bewegungsartefakten.
-
Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass verschiedene
optische (Laser-) Quellen verwendet werden können, um Licht im nahen Infrarotbereich
in optische Fasern zu überfragen.
-
Obgleich
eine beispielhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und zahlreiche Modifikationen dieser
hier im Detail unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen
beschrieben worden sind, sollte es erkannt werden, dass die Erfindung
nicht auf die genaue Ausführungsform
und die beschriebenen Modifikationen beschränkt ist und dass zahlreiche
Veränderungen
und weitere Modifikationen vom Fachmann durchgeführt werden können, ohne
den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie dieser in den Ansprüchen definiert
ist.