EP2897520A1 - Vorrichtung und verfahren zur charakterisierung von gewebe - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur charakterisierung von gewebe

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EP2897520A1
EP2897520A1 EP13771041.4A EP13771041A EP2897520A1 EP 2897520 A1 EP2897520 A1 EP 2897520A1 EP 13771041 A EP13771041 A EP 13771041A EP 2897520 A1 EP2897520 A1 EP 2897520A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tissue
stimulation
infrared
inspection head
modulation
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13771041.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nils Reinke
Andreas FASTRICH
Mathias BONMARIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dermolockin GmbH
Original Assignee
Dermolockin GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dermolockin GmbH filed Critical Dermolockin GmbH
Publication of EP2897520A1 publication Critical patent/EP2897520A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/01—Measuring temperature of body parts ; Diagnostic temperature sensing, e.g. for malignant or inflamed tissue
    • A61B5/015—By temperature mapping of body part
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
    • A61B5/0077—Devices for viewing the surface of the body, e.g. camera, magnifying lens
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    • A61B5/0093—Detecting, measuring or recording by applying one single type of energy and measuring its conversion into another type of energy
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/44—Detecting, measuring or recording for evaluating the integumentary system, e.g. skin, hair or nails
    • A61B5/441—Skin evaluation, e.g. for skin disorder diagnosis
    • A61B5/444—Evaluating skin marks, e.g. mole, nevi, tumour, scar
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7228—Signal modulation applied to the input signal sent to patient or subject; demodulation to recover the physiological signal
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/74—Details of notification to user or communication with user or patient ; user input means
    • A61B5/742—Details of notification to user or communication with user or patient ; user input means using visual displays
    • A61B5/7445—Display arrangements, e.g. multiple display units

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for characterizing tissue, in particular skin lesions, according to the independent claims.
  • Methods for characterizing tissue are known in many fields of technology. For example, such methods are used in the characterization of skin to detect skin lesions. So far, in this area, the methods have been limited to a visual examination of the skin. This method is subjective and a diagnosis of skin lesions, such as after a visual characterization of the skin, ie after a subdivision of the skin into areas with different properties, such as e.g. Cancer cell areas, highly depends on the experience of the respective doctor.
  • Active thermography is based on heating or cooling of a sample to be examined Tissue area and on a subsequent spatially resolved recording of the surface temperature of the tissue.
  • the heating or cooling generates a non-stationary temperature gradient within the tissue to be examined, which in turn influences the distribution of the surface temperature.
  • thermo-physical properties compared to its environment, e.g. a different density, heat capacity, thermal conductivity, etc., this area influences the heat flow and consequently the time-dependent surface temperature.
  • this area influences the heat flow and consequently the time-dependent surface temperature.
  • By monitoring the time-dependent surface temperature it is therefore possible to detect areas with different thermo-physical properties below the surface.
  • active thermography the object under investigation is heated by conduction, convection or absorption or cooled by conduction or convection.
  • the energy transfer can be continuous or periodic.
  • the principles of active thermography can be found e.g. in the document "Infrared thermal imaging" by M. Vollmer and K. P. Möllmann, Wiley-VCH, 2010.
  • WO 2010065052 A1 discloses a medical diagnostic system in which the skin surface is cooled by supplying cold air for a maximum of one minute.
  • a high-sensitivity stationary InSb infrared camera records the thermal behavior of the skin after thermal stimulation. After a post-processing of the infrared images for compensation By moving the patient, the time-dependent temperature of the skin is calculated and the result compared with a computer model for heat transfer. It has been shown that the thermal signature of melanoma is very different from that of healthy tissue or benign melanocytic nevi. Furthermore, it has been found that the main thermo-physical parameter affecting thermal behavior is blood perfusion, the other parameters mentioned above playing a rather minor role.
  • the device for characterizing tissue, in particular skin lesions, characterized in that the device comprises a stimulation device for thermal stimulation of the tissue, a modulation device for modulating the temperature of the tissue, an infrared camera for detecting modulated infrared images, with the arithmetic unit connected to the infrared camera for demodulating the modulated infrared images and a display module for displaying the images demodulated by the arithmetic unit.
  • the modulation device and the infrared camera are synchronized in such a way that a modulated infrared radiation emitted by the tissue can be detected by means of the infrared camera during the thermal stimulation of the tissue.
  • a portable inspection head is placed on the fabric. Subsequently, the thermal stimulation is applied to the tissue by means of the stimulation device and the image capture of the infrared camera is activated. Thereafter, a frequency of image acquisition with the
  • Modulation frequency of the modulation device synchronized and detected modulated infrared images by means of the infrared camera.
  • the modulated infrared images are then demodulated by means of the arithmetic unit and the demodulated infrared images are displayed on the display module.
  • the modulated infrared images of tissue-emitted, modulated infrared radiation are detected during thermal stimulation.
  • the device according to the invention By means of the device according to the invention and the method according to the invention, it is possible to obtain considerably more precise results of the tissue behavior in the stimulation with heat, since the behavior of the tissue is recorded directly during the stimulation and the time-dependent temperature patterns obtained thereby can be much better correlated with the stimulation pattern , The present device is therefore more sensitive than previous solutions.
  • the infrared camera is disposed within a portable inspection head, which is placed on the fabric.
  • the inspection head comprises at least one channel for supplying the thermal stimulation to the tissue.
  • the stimulation device and / or the modulation device are designed for periodic stimulation or modulation of the temperature of the tissue. This considerably increases the sensitivity of the measurements or the evaluation of the measurement results.
  • Figure 2 shows a first embodiment
  • Figure 3 shows a second embodiment
  • Figure 4 shows a third embodiment
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device 1 according to the invention. It comprises a stimulation device for thermal stimulation of a tissue 8.
  • the stimulation device comprises an air conditioner 3 for producing an air flow guided onto the tissue 8 as thermal stimulation.
  • the device 1 comprises a modulation device 4 for modulating the temperature of the air flow and thus of the tissue 8.
  • the air conditioner 3 is connected to the modulation device 4 for modulation of the air flow.
  • the modulation ⁇ device 4 is arranged at the air outlet of the air conditioner 3.
  • the modulation device 4 can be arranged in an inspection head 2 to be described in more detail, which can be placed on the fabric.
  • the air conditioner 3 is connected by means of at least one flexible, thermally insulated hose 7 with the at least one channel of the inspection head 2.
  • the inspection head 2 includes at least one channel for delivering thermal stimulation to the tissue 8.
  • An infrared camera 14 is disposed within the portable inspection head 2.
  • the infrared camera 14 is connected via a data cable 10c to a computing unit 5 for demodulation of the modulated infrared images.
  • the arithmetic unit 5 is the output side with a display module 6 for the representation of the arithmetic unit demodulated images IIa, IIb connected.
  • a control unit 9 serves to control the modulation device 4 to generate the desired periodic stimulation.
  • a cable 10b It is connected on the one hand via a cable 10b to the arithmetic unit 5 for receiving therefrom a user-defined type of modulation in the form of digital signals, and on the other hand to the modulating device 4 for supplying an electrical signal for the generation of periodic modulation in the modulating device 4 to transfer these.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of the inspection head 2, which is in contact with a fabric 8. It comprises in a housing 2a a channel 13 for supplying the periodic, modulated, thermal stimulation 12a, via the tube 7 of FIG. 1 from the air conditioner 3 in conjunction with the
  • the channel 13 carries the thermal stimulation 12a on the tissue 8, wherein the thermal stimulation 12a escapes after contact with the tissue through an evacuation port 17, which is shown by the arrows 12c.
  • hot or cold gas can escape from the interior of the inspection head 2, so that it does not heat up unnecessarily.
  • Part of the heat is taken up by the fabric 8 and emitted from the fabric surface 8a towards the camera 14, which is indicated by the arrows 12b.
  • the infrared camera 14, which is in particular a microbolometer camera or a semiconductor-based infrared camera 14 or a QWIP camera, records the time-dependent thermal radiation 12b of the tissue 8 or the tissue surface 8a via the objective 15.
  • the infrared camera 14 is isolated in its radiation detection range by means of a window 16 from the environment, the window 16 is transparent to the radiated from the fabric 8, modulated infrared radiation 12b.
  • the window 16 is between the lens 15 and the fabric 8 arranged and serves on the one hand as a filter for the radiation 12b and on the other hand as protection of the infrared camera 14 against dust and against the thermal stimulation 12a.
  • the window 16 may be made of an infrared transparent material.
  • the infrared camera 14 converts the thermal emission or radiation 12b of the tissue 8 or the tissue surface 8a into infrared images at a defined image rate.
  • the modulated infrared images are transmitted via the cable 10c from FIG. 1 to the arithmetic unit 5 and digitally demodulated there. Alternatively, a wireless transmission of images via Bluetooth or WLAN is possible.
  • the infrared images are demodulated according to the lock-in principle.
  • the lock-in thermography is known and is therefore not explained here. This results in a phase image IIa and an amplitude image IIb for each infrared image (see FIG.
  • images IIa, IIb characterize the tissue 8 or its thermal behavior as a result of the periodic stimulation 12a and are displayed on the display device 6 as grayscale or pseudocolor images.
  • images IIa, IIb zones with abnormal phase or amplitude values can then be identified as possible lesions.
  • the amplitude image IIb represents the temperature variations on the tissue surface 8a and the phase IIa shows a representation of the phase shift between the modulation signal and the time-dependent
  • phase and amplitude images IIa, IIb can be correlated with the localized thermo-physical properties of the tissue. Due to the averaging properties of the lock-in
  • Thermography can be achieved a significantly better sensitivity in image processing. For example, temperature differences of less than 1 mK can be detected. In comparison, at conventional static temperature measurements only sensitivities of about 17 mK can be achieved.
  • Another advantage is the intrinsic insensitivity of parameters such as a variation in the emissivity of the tissue, nonhomogeneous heating / cooling of the tissue, unwanted reflections from other infrared sources, etc.
  • the modulation frequency is chosen high enough, eg in the range of ImHz-lkHz, Lock-in thermography can suppress lateral heat diffusion from the demodulated images IIa, IIb, so that a more precise localization of the lesion and detection of the lesion margin becomes possible.
  • Modulation frequency includes the inspection head 2 means not shown in the figures for changing the modulation and / or the intensity of the thermal stimulation by the user. These can be, for example, means for inputting parameters and means for transmitting adjusted parameters to the arithmetic unit, which then sends the modulation of the temperature of the air flow (stimulation) 12a via the line 10b to the control unit 9 by means of suitable software. This digital signal is converted by the control unit 9 into a periodically modulated voltage, with the aid of which a heating element explained below is heated.
  • the temperature-modulated air flow 12a is generated by the air conditioner 3 and the modulation device 4.
  • the air conditioner generates air at constant speed and temperature, which are freely adjustable.
  • the air conditioner 3 comprises at least one electromagnetic source for thermal stimulation of the tissue, in particular an infrared source.
  • the infrared source generates infrared radiation, in particular with a wavelength in the range of 0.1 to 15 ⁇ m.
  • the electromagnetic source in this case preferably an infrared lamp, arranged in the channel 13 of the inspection head 2, whereby the air conditioner 3 is omitted.
  • the modulation device 4 is located in the channel 13 of the inspection head 2, between the electromagnetic source and the tissue 8.
  • the modulation device 4 heats the air coming from the air conditioner 3 periodically.
  • the modulation device 4 comprises an electrical circuit comprising arranged in the emission direction of the air conditioner 3, above-mentioned heating element which may be an electrical resistance, which is not shown.
  • a voltage applied to the resistor can be varied by means of the control unit 9 in such a way that the temperature of the tissue that can be changed by the thermal stimulation can be modulated.
  • the resistor is disposed in a tube, not shown, wherein the tube is positioned in the airflow 12a such that this airflow passes the resistor. When a voltage is applied to the resistor, resulting in the heating of the resistor, the air passing by is also heated.
  • a periodically modulated temperature of the air flow is achieved.
  • the modulation amplitude is chosen to set the minimum and maximum airflow temperatures. The greater the modulation amplitude, the greater the temperature gradient in the tissue 8 and the greater the time-dependent thermal signal (radiation).
  • the maximum temperature is chosen so that the tissue temperature does not exceed 42 ° C during the measurement. It is further advantageous to keep the minimum temperature above the dew point of water, so that no undesirable condensation effects occur.
  • the thus modulated air flow is sent via the flexible hose 7 to the inspection head 2 and enters the channel 13 of the inspection head 2 a.
  • the inspection head 2 is designed such that the thermal stimulation takes place without touching the tissue by the stimulation and the modulation device.
  • only one bearing surface of an outer housing of the inspection head 2 touches the tissue surface 8a.
  • the support surface is formed by exchangeable support modules, which are not shown here, with contour adaptable to curvatures of the tissue surface.
  • silicone can be used for these bearing surfaces, which is known to have a flexible structure.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of the inspection head 2.
  • This embodiment corresponds to that of FIG. 2 with the difference that the evacuation opening 17 is not arranged laterally of the camera in the vicinity of the support surface, but behind the camera and parallel to the channel 13.
  • the stimulation device 3 is arranged in the channel 13. It can be an infrared lamp in this case.
  • the modulation device 4 is arranged in the emission direction of the infrared lamp, ie in the current of the thermal stimulation 12a between the stimulation device 3 and the tissue 8.
  • This arrangement also in the embodiment of FIG. 2 and for the still to be explained embodiment of FIG Use come. Such an arrangement has the advantage that the flexibility of the device is increased because no stationary air conditioner is needed.
  • 4 shows a third embodiment of the inspection head 2, which in this case has two channels 13a and two lateral evacuation openings 17a arranged in the region of the support surface.
  • the modulated thermal stimulation is introduced simultaneously through both channels into the inspection head 2.
  • a suitable embodiment of the inspection head 2 can be selected. This can e.g. depending on the nature of the tissue area or tissue surface to be examined. For example, if the tissue has one or more bends, the third embodiment of the inspection head 2 may be advantageous because the thermal stimulation comes from two directions and more uniformly stimulates the tissue at the bend. In the first embodiment, the air flow comes from one direction only, so that on one side of the curve there would be a "slipstream side" stimulated less than the airflow-facing side, which would result in greater inaccuracy of measurement To generate as laminar a flow as possible in order to stimulate a uniform stimulation of the whole
  • a suitable inspection head 2 as a function of

Abstract

Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Charakterisierung von Gewebe, insbesondere von Hautläsionen, bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Stimulationsvorrichtung zur thermischen Stimulation des Gewebes, eine Modulationsvorrichtung zur Modulation der Temperatur des Gewebes, eine Infrarotkamera zur Erfassung von modulierten Infrarotbildern, eine mit der Infrarotkamera verbundene Recheneinheit zur Demodulation der modulierten Infrarotbilder und ein Anzeigemodul zur Darstellung der von der Recheneinheit demodulierten Bilder. Die Modulationsvorrichtung und die Infrarotkamera sind derart synchronisiert, dass eine vom Gewebe abgestrahlte, modulierte Infrarotstrahlung mittels der Infrarotkamera während der thermischen Stimulation des Gewebes erfassbar ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Charakterisierung von Gewebe
Hinweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der Schweizerischen Patentanmeldung Nr. 01684/12, die am 18.09.2012 eingereicht wurde und deren ganze Offenbarung hiermit durch Bezug aufgenommen wird.
Hintergrund
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Charakterisierung von Gewebe, insbesondere von Hautläsionen, gemäss den unabhängigen Ansprüchen .
Stand der Technik
Verfahren zur Charakterisierung von Gewebe sind in vielen Technikbereichen bekannt. Beispielsweise werden solche Verfahren bei der Charakterisierung von Haut verwendet, um Hautläsionen zu detektieren. Bisher haben sich in diesem Bereich die Methoden auf eine visuelle Untersuchung der Haut beschränkt. Diese Methode ist subjektiv und eine nach einer visuellen Charakterisierung der Haut, also nach einer Unterteilung der Haut in Bereiche mit verschiedenen Eigenschaften, stattfindende Diagnose bzw. Identifizierung von Hautläsionen, wie z.B. Krebs Zellenbereiche , hängt stark von der Erfahrung des jeweiligen Arztes ab.
Einige Geräte und Techniken wurden vorgeschlagen, um diese Charakterisierung zu vereinfachen und mit höherer Genauigkeit durchzuführen. Eine solche Technik basiert auf der aktiven Thermographie.
Die aktive Thermographie basiert auf einer Erwärmung oder einem Abkühlen eines zu untersuchenden Gewebebereichs und auf einer anschliessenden ortsaufgelösten Aufzeichnung der Oberflächentemperatur des Gewebes. Dabei erzeugt die Erwärmung oder Abkühlung einen nicht-stationären Temperaturgradienten innerhalb des zu untersuchenden Gewebes, der wiederum die Verteilung der Oberflächentemperatur beeinflusst. Hat ein Bereich des Gewebes, insbesondere auch unterhalb seiner Oberfläche, unterschiedliche thermo-physikalische
Eigenschaften im Vergleich zu seiner Umgebung, wie z.B. eine unterschiedliche Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, usw. , so beeinflusst dieser Bereich den Wärmefluss und folglich auch die zeitabhängige Oberflächentemperatur. Durch die Überwachung der zeitabhängigen Oberflächentemperatur ist es daher möglich, Bereiche mit unterschiedlichen thermo- physikalischen Eigenschaften unterhalb der Oberfläche zu detektieren. Bei der aktiven Thermographie wird der Untersuchungsgegenstand durch Konduktion, Konvektion oder Absorption erhitzt oder durch Konduktion oder Konvektion gekühlt. Dabei kann die Energieübertragung kontinuierlich oder periodisch sein. Die Prinzipien der aktiven Thermographie finden sich z.B. im Dokument „Infrared thermal imaging" von M. Vollmer und K.P. Möllmann, Wiley- VCH, 2010.
Bei der Untersuchung von Haut weisen manche
Läsionstypen andere thermo-physikalische Eigenschaften auf als gesunde Haut. Insbesondere werden im Falle von Krebsläsionen eine höhere metabolische Wärmeentwicklung und eine höhere Blutperfusionsrate am Ort der Läsion erwartet.
WO 2010065052 AI offenbart ein medizinisches Diagnosesystem, bei dem die Hautoberfläche durch Zufuhr von kalter Luft während maximal einer Minute abgekühlt wird. Mit einer hochempfindlichen stationären InSb- Infrarotkamera wird das thermische Verhalten der Haut nach der thermischen Stimulation aufgezeichnet. Nach einer Nachbearbeitung der Infrarotbilder zur Kompensation von Bewegungen des Patienten wird die zeitabhängige Temperatur der Haut berechnet und das Ergebnis mit einem Computermodel für die Wärmeübertragung verglichen. Dabei hat sich gezeigt dass sich die thermische Signatur von Melanomen sehr von derjenigen von gesundem Gewebe oder von gutartigen melanozytären Nävi unterscheidet. Ferner wurde herausgefunden dass der thermo-physikalische Hauptparameter, der das thermische Verhalten beeinflusst, die Blutperfusion ist, wobei die anderen oben genannten Parameter eine eher untergeordnete Rolle spielen.
In DE 19515317 AI wird die Hauttemperatur kontaktthermometrisch oder berührungslos nach der Stimulation gemessen, wobei das Dokument keine Aussage über die Vorgehensweise bei der Messung macht.
Die genannten Verfahren messen die Temperatur der Hautoberfläche nach der Stimulation, wodurch die Ergebnisse relativ ungenau sind. Ferner ist die Messung bei WO 2010065052 AI umständlich, da der Patient derart positioniert werden muss, dass er einerseits nicht zu weit von der Infrarotkamera und andererseits die zu untersuchende Hautpartie für die Kamera sichtbar ist.
Darstellung der Erfindung Es ist Aufgabe der Erfindung, die genannten
Nachteile auszuräumen bzw. zu minimieren.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung zur Charakterisierung von Gewebe, insbesondere von Hautläsionen, dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine Stimulationsvorrichtung zur thermischen Stimulation des Gewebes, eine Modulationsvorrichtung zur Modulation der Temperatur des Gewebes, eine Infrarotkamera zur Erfassung von modulierten Infrarotbildern, eine mit der Infrarotkamera verbundene Recheneinheit zur Demodulation der modulierten Infrarotbilder und ein Anzeigemodul zur Darstellung der von der Recheneinheit demodulierten Bilder umfasst. Die Modulationsvorrichtung und die Infrarotkamera sind derart synchronisiert, dass eine vom Gewebe abgestrahlte, modulierte Infrarotstrahlung mittels der Infrarotkamera während der thermischen Stimulation des Gewebes erfassbar ist .
Ferner wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Charakterisierung von Gewebe, insbesondere von Hautläsionen, mittels einer erfindungsgemässen
Vorrichtung gelöst. Dabei wird zunächst ein tragbarer Inspektionskopf auf dem Gewebe aufgesetzt. Anschliessend wird die thermische Stimulation mittels der Stimulationsvorrichtung auf das Gewebe appliziert und die Bilderfassung der Infrarotkamera aktiviert. Danach wird eine Frequenz der Bilderfassung mit der
Modulationsfrequenz der Modulationsvorrichtung synchronisiert und modulierte Infrarotbilder mittels der Infrarotkamera erfasst. Die modulierten Infrarotbilder werden danach mittels der Recheneinheit demoduliert und die demodulierten Infrarotbilder auf dem Anzeigemodul dargestellt. Die modulierten Infrarotbilder einer vom Gewebe abgestrahlten, modulierten Infrarotstrahlung werden während der thermischen Stimulation erfasst.
Durch die erfindungsgemässe Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren ist es möglich, erheblich präzisere Ergebnisse des Gewebeverhaltens bei der Stimulation mit Wärme zu gewinnen, da das Verhalten des Gewebes unmittelbar während der Stimulation festgehalten wird und die dadurch gewonnenen zeitabhängigen Temperaturmuster viel besser mit dem Stimulationsmuster korreliert werden können. Die vorliegende Vorrichtung ist daher empfindlicher als bisherige Lösungen.
Dadurch dass die thermische Abstrahlung des Gewebes und nicht die Gewebetemperatur aufgezeichnet wird ergibt sich der Vorteil, dass die Demodulation der Infrarotbilder direkt durch die Verwendung von Bildern der thermischen Abstrahlung der Haut erfolgen kann. Eine Berechnung der absoluten Gewebetemperatur ist schwierig, da dafür Informationen über Parameter wie Gewebeemissivität , Luftübertragungskoeffizienten, usw. notwendig sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren abhängigen Ansprüchen.
In einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform ist die Infrarotkamera innerhalb eines tragbaren Inspektionskopfes angeordnet, der auf dem Gewebe aufsetzbar ist. Dabei umfasst der Inspektionskopf mindestens einen Kanal zur Zuführung der thermischen Stimulation auf das Gewebe. Diese Anordnung hat den Vorteil einer kompakten Bauweise des Inspektionskopfes. Dadurch dass die Infrarotkamera im Inspektionskopf eingebaut ist, wird der Aktionsradius der Vorrichtung erweitert und die zu untersuchenden Gegenstände müssen nicht vorgängig in eine bestimmte Lage bzw. Position gebracht werden. Ferner ist bei dieser Anordnung die Kamera stets in einem im Wesentlichen im Vergleich zu bekannten Lösungen konstanten kleinen Abstand von dem zu untersuchenden Gewebebereich. Dadurch verbessert sich die Messgenauigkeit erheblich, da äussere Temperatureinflüsse bzw. Luftströmungen, wie Zugluft, im Untersuchungsraum eine vernachlässigbare Rolle spielen.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung sind die Stimulationsvorrichtung und/oder die Modulationsvorrichtung zu einer periodischen Stimulation bzw. Modulation der Temperatur des Gewebes ausgestaltet. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Messungen bzw. die Auswertung der Messergebnisse erheblich gesteigert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt Figur 1 eine Ausführungsform
erfindungsgemässen Vorrichtung;
Figur 2 eine erste Ausführungsform
Inspektionskopfes ;
Figur 3 eine zweite Ausführungsform
Inspektionskopfes ;
Figur 4 eine dritte Ausführungsform
Inspektionskopfes ;
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung 1. Sie umfasst eine Stimulationsvorrichtung zur thermischen Stimulation eines Gewebes 8. Die Stimulationsvorrichtung umfasst ein Klimagerät 3 zur Erzeugung einer auf das Gewebe 8 geführten Luftströmung als thermische Stimulation. Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Modulationsvorrichtung 4 zur Modulation der Temperatur der Luftströmung und damit des Gewebes 8. Das Klimagerät 3 ist zur Modulation der Luftströmung mit der Modulationsvorrichtung 4 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Modulations¬ vorrichtung 4 am Luftausgang des Klimageräts 3 angeordnet. In einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung 1 kann die Modulationsvorrichtung 4 in einem näher zu beschreibenden Inspektionskopf 2, der auf dem Gewebe aufsetzbar ist, angeordnet sein. Das Klimagerät 3 ist mittels mindestens eines flexiblen, thermisch isolierten Schlauchs 7 mit dem mindestens einen Kanal des Inspektionskopfes 2 verbunden. Der Inspektionskopf 2 umfasst mindestens einen Kanal zur Zuführung der thermischen Stimulation auf dem Gewebe 8. Eine Infrarotkamera 14 ist innerhalb des tragbaren Inspektionskopfes 2 angeordnet. Die Infrarotkamera 14 ist über ein Datenkabel 10c mit einer Recheneinheit 5 zur Demodulation der modulierten Infrarotbilder verbunden. Die Recheneinheit 5 ist ausgangsseitig mit einem Anzeigemodul 6 zur Darstellung der von der Recheneinheit demodulierten Bilder IIa, IIb verbunden. Eine Steuerungseinheit 9 dient zur Steuerung der Modulationsvorrichtung 4, um die gewünschte periodische Stimulation zu erzeugen. Sie ist einerseits über ein Kabel 10b mit der Recheneinheit 5 verbunden, um von dieser eine benutzerdefinierte Modulationsart in der Form von digitalen Signalen zu empfangen, und andererseits mit der Modulationsvorrichtung 4, um ein elektrisches Signal für die Erzeugung der periodischen Modulation in der Modulationsvorrichtung 4 an diese zu übertragen.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform des Inspektionskopfes 2, der mit einem Gewebe 8 in Kontakt ist. Er umfasst in einem Gehäuse 2a einen Kanal 13 zur Zufuhr der periodischen, modulierten, thermischen Stimulation 12a, die über den Schlauch 7 aus Fig. 1 vom Klimagerät 3 im Zusammenspiel mit der
Modulationsvorrichtung 4 generiert wird. Der Kanal 13 führt die thermische Stimulation 12a auf das Gewebe 8, wobei die thermische Stimulation 12a nach dem Kontakt mit dem Gewebe durch eine Evakuationsöffnung 17 entweicht, was mit den Pfeilen 12c dargestellt ist. Damit kann heisses oder kaltes Gas aus dem Inneren des Inspektionskopfes 2 entweichen, so dass sich dieser nicht unnötig aufheizt. Ein Teil der Hitze wird vom Gewebe 8 aufgenommen und von der Gewebeoberfläche 8a in Richtung der Kamera 14 abgestrahlt, was mit den Pfeilen 12b dargestellt ist. Die Infrarotkamera 14, die insbesondere eine Mikrobolometerkamera oder eine Halbleiter-basierte Infrarotkamera 14 oder eine QWIP-Kamera ist, nimmt die zeitabhängige thermische Abstrahlung 12b des Gewebes 8 bzw. der Gewebeoberfläche 8a über das Objektiv 15 auf. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Infrarot kamera 14 in ihrem Strahlungserfassungsbereich mittels eines Fensters 16 von der Umgebung isoliert, wobei das Fenster 16 transparent für die vom Gewebe 8 abgestrahlte, modulierte Infrarotstrahlung 12b ist. Das Fenster 16 ist zwischen dem Objektiv 15 und dem Gewebe 8 angeordnet und dient einerseits als Filter für die Abstrahlung 12b und andererseits als Schutz der Infrarotkamera 14 gegen Staub und gegen die thermische Stimulation 12a. Das Fenster 16 kann aus einem Infrarot- transparenten Material hergestellt sein.
Die Infrarotkamera 14 konvertiert die thermische Emission oder Abstrahlung 12b des Gewebes 8 bzw. der Gewebeoberfläche 8a in Infrarotbildern bei einer definierten Bildrate. Die modulierten Infrarotbilder werden über das Kabel 10c aus Fig. 1 an die Recheneinheit 5 übermittelt und dort digital demoduliert. Alternativ ist eine drahtlose Übertragung der Bilder mittels Bluetooth oder WLAN möglich. Die Infrarotbilder werden nach dem Lock-in Prinzip demoduliert. Die Lock-in Thermographie ist bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert. Es ergeben sich für jedes Infrarotbild ein Phasenbild IIa und ein Amplitudenbild IIb (vgl. Fig. 1). Diese Bilder IIa, IIb charakterisieren das Gewebe 8 bzw. sein thermisches Verhalten infolge der periodischen Stimulation 12a und werden auf der Anzeigevorrichtung 6 als Graustufen- oder Pseudofarbenbilder dargestellt. In den Bildern IIa, IIb können anschliessend Zonen mit abnormalen Phasen- oder Amplitudenwerten als mögliche Läsionen identifiziert werden. Das Amplitudenbild IIb stellt dabei die Temperaturvariationen an der Gewebeoberfläche 8a dar und das Phasenbild IIa zeigt eine Darstellung der Phasenverschiebung zwischen dem Modulationssignal und der zeitabhängigen
Gewebeoberflächentemperatur. Um die oben genannten Zonen zu identifizieren können die Phasen- und Amplitudenbilder IIa, IIb mit den ortsgebundenen thermo-physikalischen Eigenschaften des Gewebes korreliert werden. Aufgrund der mittelwertbildenden Eigenschaften der Lock-in
Thermographie kann eine erheblich bessere Empfindlichkeit bei der Bildverarbeitung erreicht werden. Beispielsweise können damit Temperaturunterschiede von weniger als 1 mK detektiert werden. Im Vergleich dazu können bei herkömmlichen statischen Temperaturmessungen nur Empfindlichkeiten von ca. 17 mK erreicht werden. Ein anderer Vorteil ist die intrinsische Unempfindlichkeit von Parametern wie eine Variation des Emissionsgrads des Gewebes, ein nicht homogenes Erhitzen/Abkühlen des Gewebes, nicht erwünschte Reflexionen anderer Infrarotquellen, usw. Wenn die Modulationsfrequenz hoch genug gewählt wird, z.B. im Bereich von ImHz-lkHz, kann die Lock-in Thermographie eine laterale Hitzediffusion aus den demodulierten Bildern IIa, IIb unterdrücken, so dass eine präzisere Lokalisierung der Läsion und Detektion des Läsionsrandes möglich wird.
Für die Wahl der geeigneten
Modulationsfrequenz umfasst der Inspektionskopf 2 in den Figuren nicht gezeigte Mittel zur Änderung der Modulation und/oder der Intensität der thermischen Stimulation durch den Benutzer. Diese können beispielsweise Mittel zur Eingabe von Parametern und Mittel zur Übermittlung von eingestellten Parametern an die Recheneinheit, die anschliessend mittels geeigneter Software die Modulation der Temperatur des Luftstroms (Stimulation) 12a über die Leitung 10b an die Steuerungseinheit 9 schickt. Dieses digitale Signal wird von der Steuerungseinheit 9 in eine periodisch modulierte Spannung umgewandelt, mit deren Hilfe ein unten erläutertes Heizelement aufgeheizt wird.
Der temperaturmodulierte Luftstrom 12a wird durch das Klimagerät 3 und die Modulationsvorrichtung 4 generiert. Das Klimagerät generiert Luft mit konstanter Geschwindigkeit und Temperatur, welche frei einstellbar sind. Das Klimagerät 3 umfasst mindestens eine elektromagnetische Quelle zur thermischen Stimulation des Gewebes, insbesondere eine Infrarotquelle. Die Infrarotquelle generiert eine Infrarotstrahlung insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 0.1 bis 15 μιη. In einer im Zusammenhang mit der Fig. 3 erläuterten Ausführungsform der Erfindung ist die elektromagnetische Quelle, in diesem Fall vorzugsweise eine Infrarotlampe, im Kanal 13 des Inspektionskopfes 2 angeordnet, wodurch das Klimagerät 3 entfällt. Selbstverständlich befindet sich in diesem Fall auch die Modulationsvorrichtung 4 im Kanal 13 des Inspektionskopfes 2, zwischen der elektromagnetischen Quelle und dem Gewebe 8.
In der gezeigten Ausführungsform heizt die Modulationsvorrichtung 4 die aus dem Klimagerät 3 kommende Luft periodisch auf. Dabei umfasst die Modulationsvorrichtung 4 einen elektrischen Schaltkreis umfassend das in der Abstrahlrichtung des Klimageräts 3 angeordnete, oben erwähnte Heizelement das ein elektrischer Widerstand sein kann, was nicht gezeigt ist. Dabei ist eine am Widerstand anliegende Spannung derart mittels der Steuerungseinheit 9 variierbar, dass die durch die thermische Stimulation veränderbare Temperatur des Gewebes modulierbar ist. In einer Ausführungsform ist der Widerstand in einem nicht gezeigten Rohr angeordnet, wobei das Rohr im Luftstrom 12a derart positioniert wird, dass dieser Luftstrom den Widerstand passiert. Wenn eine Spannung am Widerstand angelegt wird, was zur Aufheizung des Widerstands führt, wird die vorbei strömende Luft ebenfalls erhitzt. Ist die Spannung entsprechend periodisch moduliert, so wird auch eine periodisch modulierte Temperatur des Luftstroms erreicht. Durch die Einstellung verschiedener Parameter der periodischen Spannung, wie Frequenz, Amplitude, Form, ist es also möglich, einen temperaturmodulierten Luftstrom zu erzeugen, der auf das zu untersuchende Gewebe 8 gerichtet wird. Die Modulationsamplitude wird derart gewählt, um die minimale und maximale Luftstromtemperatur einzustellen. Je grösser die Modulationsamplitude, desto grösser wird der Temperaturgradient im Gewebe 8 und desto grösser wird auch das zeitabhängige thermische Signal (Abstrahlung) . In der Praxis wird die maximale Temperatur derart gewählt, dass die Gewebetemperatur während der Messung 42° C nicht überschreitet. Ferner ist es vorteilhaft, die minimale Temperatur über den Taupunkt von Wasser zu halten, damit keine unerwünschten Kondensationseffekte auftreten. Der auf diese Weise modulierte Luftstrom wird über den flexiblen Schlauch 7 an den Inspektionskopf 2 geschickt und tritt in den Kanal 13 des Inspektionskopfes 2 ein.
Der Inspektionskopf 2 ist derart ausgestaltet, dass die thermische Stimulation ohne Berührung des Gewebes durch die Stimulations- und der Modulationsvorrichtung stattfindet. Insbesondere berührt nur eine Auflagefläche eines Aussengehäuses des Inspektionskopfes 2 die Gewebefläche 8a. Die Auflagefläche wird von austauschbaren Auflagemodulen, welche hier nicht gezeigt sind, mit an Krümmungen der Gewebeoberfläche anpassbarer Kontur gebildet.
Insbesondere kann für diese Auflageflächen Silikon verwendet werden, das bekanntlich eine flexible Struktur hat .
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des Inspektionskopfes 2. Diese Ausführungsform entspricht derjenigen aus Fig. 2 mit dem Unterschied, dass die Evakuationsöffnung 17 nicht seitlich der Kamera in der Nähe der Auflagefläche, sondern hinter der Kamera und parallel zum Kanal 13 angeordnet ist. Ferner ist bei dieser Ausführungsform die Stimulationsvorrichtung 3 im Kanal 13 angeordnet. Sie kann in diesem Fall eine Infrarotlampe sein. Die Modulationsvorrichtung 4 ist in Abstrahlrichtung der Infrarotlampe angeordnet, d.h. im Strom der thermischen Stimulation 12a zwischen der Stimulationsvorrichtung 3 und dem Gewebe 8. Selbstverständlich kann diese Anordnung auch bei der Ausführungsform nach Fig. 2 und für die noch zu erläuternde Ausführungsform nach Fig. 4 zum Einsatz kommen. Eine solche Anordnung hat den Vorteil dass die Flexibilität der Vorrichtung erhöht wird, da kein stationäres Klimagerät benötigt wird. Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Inspektionskopfes 2, der in diesem Fall zwei Kanäle 13a und zwei seitliche, im Bereich der Auflagefläche angeordnete, Evakuationsöffnungen 17a hat. Bei dieser Ausführungsform wird die modulierte thermische Stimulation gleichzeitig durch beide Kanäle in den Inspektionskopf 2 eingeführt.
Je nachdem welche Art von Luftströmung im Inneren des Inspektionskopfes 2 erzeugt werden soll, kann eine geeignete Ausführungsform des Inspektionskopfes 2 gewählt werden. Dies kann z.B. davon abhängen, wie die Beschaffenheit des zu untersuchenden Gewebebereichs bzw. Gewebeoberfläche ist. Weist das Gewebe beispielsweise eine oder mehrere Krümmungen auf, so kann die dritte Ausführungsform des Inspektionskopfes 2 vorteilhaft sein, da die thermische Stimulation aus zwei Richtungen kommt und das Gewebe an der Krümmung gleichmässiger stimuliert. Bei der ersten Ausführungsform kommt die Luftströmung nur aus einer Richtung, so dass auf einer Seite der Krümmung eine „Windschattenseite" entstünde, die weniger als die der Luftströmung zugewandten Seite stimuliert würde. Dies würde zu einer grösseren Ungenauigkeit der Messung führen. Allgemein ist es erwünscht, eine möglichst laminare Strömung zu erzeugen, um eine gleichmässige Stimulation der gesamten zu untersuchenden
Gewebeoberfläche zu erreichen. Um turbulente Strömungen möglichst zu vermeiden kann ein geeigneter Inspektionskopf 2 in Abhängigkeit von der
Oberflächenbeschaffenheit des Gewebes für die Untersuchung gewählt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern es ist im Rahmen der nun folgenden Ansprüche eine Vielfalt anderer Formen wählbar .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Charakterisierung von Gewebe, insbesondere von Hautläsionen, umfassend:
eine Stimulationsvorrichtung zur thermischen
Stimulation des Gewebes,
eine Modulationsvorrichtung zur Modulation der Temperatur des Gewebes,
eine Infrarotkamera zur Erfassung von
modulierten Infrarotbildern,
eine mit der Infrarotkamera verbundene
Recheneinheit zur Demodulation der modulierten
Infrarotbilder,
ein Anzeigemodul zur Darstellung der von der Recheneinheit demodulierten Bilder,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Modulationsvorrichtung und die Infrarotkamera derart synchronisiert sind, dass eine vom Gewebe abgestrahlte, modulierte Infrarotstrahlung mittels der Infrarotkamera während der thermischen Stimulation des Gewebes erfassbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotkamera innerhalb eines tragbaren Inspektionskopfes angeordnet ist, der auf dem Gewebe aufsetzbar ist, wobei der Inspektionskopf
mindestens einen Kanal zur Zuführung der thermischen Stimulation auf dem Gewebe umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationsvorrichtung im
Inspektionskopf integriert ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stimulationsvorrichtung ein Klimagerät zur Erzeugung einer auf das Gewebe geführten Luftströmung als thermische Stimulation umfasst, wobei das Klimagerät zur Modulation der Luftströmung mit der
Modulationsvorrichtung verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimagerät mittels mindestens eines flexiblen, thermisch isolierten Schlauchs mit dem mindestens einen Kanal des
Inspektionskopfes verbunden ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stimulationsvorrichtung mindestens eine
elektromagnetische Quelle zur thermischen Stimulation des Gewebes umfasst, insbesondere eine Infrarotquelle, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 0.1 bis 15 μιη, insbesondere wobei die elektromagnetische Quelle im Kanal des Inspektionskopfs angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Modulationsvorrichtung einen elektrischen Schaltkreis mit einem in der Abstrahlrichtung der Stimulationsvorrichtung angeordneten elektrischen Heizelement umfasst, wobei eine am Widerstand anliegende Spannung derart mittels eines Steuerungseinheit (9) variierbar ist, dass die durch die thermische Stimulation veränderbare Temperatur des
Gewebes modulierbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Stimulationsvorrichtung und/oder die
Modulationsvorrichtung zu einer periodischen Stimulation bzw. Modulation der Temperatur des Gewebes ausgestaltet sind .
9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Infrarotkamera eine Mikrobolometerkamera oder eine
Halbleiter-basierte Infrarot kamera oder eine QWIP-Kamera ist .
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Inspektionskopf mindestens eine Evakuationsöffnung für die Evakuation von kaltem oder heissem Gas aus seinem Inneren umfasst.
11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Infrarotkamera in ihrem Strahlungserfassungsbereich mittels eines Fensters von der Umgebung getrennt ist, wobei das Fenster transparent für die vom Gewebe
abgestrahlte, modulierte Infrarotstrahlung ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Inspektionskopf Mittel zur Änderung der Modulation und/oder der
Intensität der thermischen Stimulation durch den Benutzer umfasst .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Inspektionskopf derart ausgestaltet ist, dass die thermische Stimulation ohne Berührung des Gewebes durch die Stimulations- und der Modulationsvorrichtung stattfindet, insbesondere dass nur eine Auflagefläche eines Aussengehäuses des
Inspektionskopfes das Gewebe berührt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche von austauschbaren Auflagemodulen mit an Krümmungen der Gewebeoberfläche anpassbarer Kontur gebildet ist.
15. Verfahren zur Charakterisierung von
Gewebe, insbesondere von Hautläsionen, mittels einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass:
- ein tragbarer Inspektionskopf auf dem
Gewebe aufgesetzt wird,
- die thermische Stimulation mittels der Stimulationsvorrichtung auf das Gewebe appliziert wird,
- die Bilderfassung der Infrarotkamera aktiviert wird,
- eine Frequenz der Bilderfassung mit der Modulationsfrequenz der Modulationsvorrichtung
synchronisiert wird,
- modulierte Infrarotbilder mittels der
Infrarotkamera erfasst werden,
- die modulierten Infrarotbilder mittels der Recheneinheit demoduliert werden, und
- die demodulierten Infrarotbilder auf dem Anzeigemodul dargestellt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
die modulierten Infrarotbilder einer vom Gewebe abgestrahlten, modulierten Infrarotstrahlung während der thermischen Stimulation erfasst werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der thermischen
Stimulation des Gewebes periodisch durchgeführt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Stimulation ohne Berührung des Gewebes durch die
Stimulationsvorrichtung durchgeführt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis
17, dadurch gekennzeichnet, dass die Demodulation eine Lock-in Demodulation ist und dass pro moduliertes Infrarotbild zwei demodulierte Infrarotbilder generiert werden: ein Phasenbild und ein Amplitudenbild; wobei die zwei demodulierten Infrarotbilder zur Darstellung mittels dem Anzeigemodul färb- oder graustufenkodiert werden.
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