JP3597887B2 - Scanning optical tissue inspection system - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、走査式光学組織検査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
人体組織を万一の場合に起こりうる組織異常に関して検査するために、一連の装置又は方法が知られている。そのような検査を実行するために、久しく以前からX線が使用されている。この方法では、人体の骨格構造の高コントラスト画像が実現されるのであるが、腫瘍の検出時に達成しうる画質は確実な診断を下すには不十分である場合が多い。特に、検査すべき種類の異なる組織の間にコントラストの不足があると、このような方法は所定の目的についてごく限定された状況で適切であるにすぎない。X線を使用するときのもう1つの重大な欠点はイオン化作用と、その結果発生する人体組織との交換作用である。このため、以前より、非イオン化電磁放射によって実現可能であり且つ評価に十分な画質を提供する検査方法又は適切な装置が求められている。
【0003】
X線によって動作せず、散乱媒体における吸収係数の変化を検出するのに適する装置は、たとえば、米国特許第4,972,331に記載されている。そこで提案されている位相変調分光方法においては、近赤外線範囲の2つの波長をもつ放射を検査すべき人体組織に交互に入射させ、そこで、放射信号を高周波数で変調する。検出器側で、特に組織中で発生する位相ずれのような特徴的な放射量の変化を記録し、そこから、透過する放射を吸収した組織要素、たとえば、腫瘍の濃度を推論する。
【0004】
説明されている装置には、いくつかの欠点がある。第1に、波長範囲の異なる電磁放射を交互に入射させていると共に、選択された検出器構造を使用しているために、いくつかの波長の順次検出も実行されるので、その結果、測定時間は長くなる。さらに、高周波数範囲におけるきわめて弱い光学信号を高感度の検出器によって電気信号に変換しなければならないということが問題である。そのような検出器は、HF信号の信号雑音が強いために、広い帯域幅を有していなければならず、そのために高価である。検出器から供給される電気信号も同様にそれぞれの周囲環境からの高周波数妨害電界の影響をとりわけ受けやすい。加えて、図示されている構造を利用しても、たとえば、腫瘍が存在していることしか確定できない。検査した組織ボリューム内部における精密な腫瘍の位置と大きさに関する表示は不可能である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の課題は、人体組織における散乱特性及び/又は吸収特性の限定された変化をできる限り高いコントラストと、高い空間分解能とをもって場所規定するように保証する走査式光学組織検査装置を提供することである。さらに、測定データからの二次元又は三次元の画像再構成を可能にすべきである。加えて、器機コストが低減されると同時に測定時間は短縮され、また、外部妨害影響をできる限り受けにくくしようと努めている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この課題は、特許請求の範囲第1項の特徴を備えた走査式光学組織検査装置により解決される。
本発明による走査式光学組織検査装置は、二次元又は三次元の画像再構成を含めて、人体組織における異常、たとえば、腫瘍の空間分解検出を可能にする。可能な適用用途は乳癌の早期発見である。
これにより、特に、公知の装置と比較して器機コストは著しく安くなるという成果が得られ、それは本発明に従った検出装置の構成によるものである。検出装置のいくつかの実施例においては、たとえば、帯域幅が狭く、適切な価格で高感度の検出器を適用することが可能である。
【0007】
さらに、2つ以上の異なる波長をマルチプレクス素子を介して唯一の光線誘導システムに同時に結合すると共に、検出装置を適切に構成する。すなわち、特に、本発明に従ってデマルチプレクス手段を対応する混合手段と組合せることによって、測定時間を前述の従来の技術と比較して少なくとも二分の一に短縮することが可能である。
また、コンボリューション原理に従った画像再構成によって、空間分解能とコントラストは向上する。この目的のために、放射源の位置を固定して、走査装置を利用して射出側の広い平面素子における散乱光分布を測定する。これに適する走査装置は種々ある。
【0008】
画像再構成時に、妨害となる「外部光の影響」を抑制するために、走査装置の中で立体角選択素子を使用すると有利であることがわかっている。
さらに、所望の設計に応じて、たとえば、いくつかの異なる混合装置と検出装置の使用など、個々の構成要素の交換がいつでも問題なくできるように、本発明による装置はモジュラー構造である。
本発明による走査式光学組織検査装置のその他の利点並びに詳細は、添付の図面に基づく以下の実施例の説明から明白になるであろう。
【0009】
【実施例】
図1には、本発明による走査式光学組織検査装置のブロック接続図を示す。この装置は、所望の設計に応じて個々の構成要素を問題なく相互に入れ替えることが可能であるようなモジュラー構造を有する。本発明による装置は、本質的には、光学発光装置10と、変調装置20と、走査装置30と、検出装置40と、制御装置50と、評価装置60とを含む。
この場合、光学発光装置10には、波長λi の異なる放射を発射する2つ以上の光源LQi 11a,11b,11cが配設されている。さらに、たとえば、Fa.Spectra Diode Labsの型名SDL7422,SDL2431等をもつレーザーダイオードを使用することができるが、それらのレーザーダオイオードは670nmから950nmの波長λi を発生する。すなわち、(可視)赤色スペクトルから(不可視)近赤外線スペクトルの範囲で動作する。図1のブロック接続図の中には3つの異なる光源11a,11b,11cが示されているが、時に応じて4つ以上の異なる光源、すなわち、それに相応する4つ以上の波長を適用することができる。ここで、使用する波長λi を選択するときに決定的であるのは、検査すべき人体組織100の中にできる限り異なる吸収特性を発生させるという点のみである。
【0010】
光源11a,11b,11cは変調装置20を介して高周波数で強さ変調される。これを目的として、変調装置20は、たとえば、様々な光源に対する市販のHF発振器を含み、それらはFa.Rohde & Schwarzから型名SMG又はSMXで販売されているようなものであるが、図面を見やすくするために、図1にはそれらのHF発振器を示していない。あるいは、直接デジタルシンセサイザ(DDS)に基づき、100〜500MHzの範囲のHF出力端子を少なくとも2つ有し且つ定義されたオフセットΔfだけずれてはいるが、位相に関しては固定して結合している特殊な発振器を使用することも可能である。
【0011】
個々の光源11a,11b,11cに対する変調周波数は100MHzから500MHzにあるのが有利であり、高周波数の変調基本周波数fに定義された低周波数の変調オフセット周波数Δfi を加えたものから成る。すなわち、結果としては、波長λi ごとに、総変調周波数fGi=f+Δfi が発生することになる。個々の光源11a,11b,11cの変調オフセット周波数Δfi、 従って、総変調周波数fGiは、採用する検出装置40によって同一である場合もあり、あるいは、異なる場合もある。これに対応する検出装置40のいくつかの実施例については、図2〜図5を参照してさらに詳細に説明する。
【0012】
光学発光装置10は、使用する光源11a,11b,11cを安定した温度で動作させるために、光源温度調整装置(図示せず)をさらに含む。発射される放射の位相差と振幅値をできる限り安定するように保証するためには、この温度調整装置は不可欠である。
光学発光装置10は概略的に示されているマルチプレクス素子12をさらに含み、個々の光源11a,11b,11cから発射された光束は、このマルチプレクス素子によって唯一つの光線誘導システム15に結合されてゆく。順次結合に適するマルチプレクス素子12としては、たとえば、規定された回転数をもって作動されて、個々の光源11a,11b,11cの放射を光線誘導システム15に前述のように順次結合してゆくチョッパホイールを有する「チョッパ構造」を使用することができる。順次多重化に際して、チョッパホイールは制御装置50を介して規定された周波数でクロック動作される。すなわち、光線誘導システム15への個々の光源11a,11b,11cの結合の周波数は外部制御装置50によって制御される。そのような制御の他にも以下に説明するような別の機能をも果たす制御装置50は、コンピュータを介してソフトウェア方式で実現されるのが有利である。
【0013】
チョッパ構造を利用する順次多重化に代わるものとして、変調放射から光線誘導システム15への同時結合、すなわち、並行結合と伝達を可能にする周知の光ファイバマルチプレクス素子を使用することも可能であり、これは特に有利である。そのような光ファイバマルチプレクス素子は、たとえば、出願人によって販売されており、また、欧州特許第0194612号などにも記載されている。
【0014】
光線誘導システム15としては光ファイバ光導波管を使用するのが好ましい。この光導波管は、解放側に、射出光束をコリメートする解放光学系31を有する。解放光学系31及び/又は光線誘導システム15は、好ましくはコリメート光束の平面で検査すべき組織100に対して規定通りの位置決めを実行する走査装置30と結合している。
【0015】
ここで、走査装置30、ひいては本発明による装置全体の機能について不可欠であるのは、組織100中の点状の入射場所と検出側の射出場所との定義された関係を走査装置30の空間分解検出器構造を発生させるということである。この目的のために、走査装置30の様々な構成が可能である。
【0016】
図1に概略的に示す通り、組織100を透過した放射を検出・光線誘導システム35、たとえば、光ファイバ光導波管に集束、すなわち、結合する検出側結合光学系を設けることができる。同様に制御装置50を介して制御される走査装置30は、この走査構造においては、検査すべき組織100の同期走査を可能にする。すなわち、発光側解放光学系31は検出側結合系32に対して常に同期されて、それと同じ軸に位置決めされる。従って、この実施例においては、走査装置30の空間分解検出器構造として使用されているのは、検出・光線誘導システム35を含めて、コリメート発光光束に対して同期して位置決めされる結合光学系32である。
【0017】
図1からわかる走査装置30の、先の実施例に代わる第2の実施形態では、同期走査の代わりに、送信側の光線誘導システム15又は解放光学系31を規定された位置にそのまま配置し、受光側でのみ、検出・光線誘導システム35又はその結合光学系32の位置を規定に従って変更し、且つ透過した光線を側方のより広い平面領域の上の複数の異なる点に記録する。それに続いて、そのような走査プロセスのために、コリメート光束に複数の(たとえば、5〜10個の)発光側で固定保持された入射位置を設けることができる。
【0018】
最後に、上に説明した走査装置の実施形態の中で、検出側に、移動される点状の空間分解検出器構造の代わりに、光増幅器が前方に接続されているCCDカメラ又はCCDアレイを含む三次元の、すなわち、側方へ延出する空間分解検出器構造を使用することが可能である。この場合、前に接続される光増幅器はHF信号をより低い信号周波数に下げて混合するという役割を果たす。対応する走査装置の一実施例が図7に表されている。「点光源」が固定保持されている場合、走査装置の空間分解検出器構造の中で同様にCCDアレイも使用できることは自明である。
【0019】
検出器側で、組織から定義された角度で射出して来る光線のみをできる限り記録するために、走査装置、すなわち、空間分解検出器構造は、空間分解検出器構造と検査すべき組織との間に立体角選択素子を各々有し、それにより、別の空間方向からの、信号評価を妨害する外部光の影響を抑制するのが好都合である。この目的に適する装置については図8を参照して説明する。このような立体角選択素子は、先に説明した走査装置の実施例の全てについて有利であることがわかる。
さらに、様々な方向からの妨害散乱光線を抑制するために、走査装置30を共焦点構成で動作させることが可能である。
【0020】
規定の空間分解能をもって走査装置30を介して記録され、組織100を透過した弱い放射信号は、検出光誘導システム35を経て、最終的には検出装置40に達する。そこで、HF振幅変調された弱い光信号を位相情報を維持しつつさらに低い周波数に混合し、さらに、場合によっては、必要、適切な増幅を実行すると共に、照射した組織100で起こった位相ずれを波長に従って記録し且つ透過した放射の強さ又は振幅を同様に波長に従って記録する。記録された光学信号を検出装置40の中で適切な電気信号に変換し、それらの電気信号を評価装置60によってさらに処理することができる。
透過した放射信号の検出情報に対する基準として働くのは、それぞれ、変調装置並びに光学発光装置の信号、すなわち、特に、一旦与えられて、組織を透過するときに変化する位相情報及び振幅情報である。
【0021】
検出装置40について可能ないくつかの変形例を図2〜図5に明示して説明する。
照射後の組織100で起こり、検出装置40によって検出された個々の波長成分の位相と振幅の変化は、最終的に、評価装置60によりさらに処理される。この目的のために、評価装置60は、走査装置30を介して信号を測定した場所に関する制御装置50の情報をも利用する。さらに、評価装置60は画像発生信号処理と、その後に起こりうる表示装置への表示、たとえば、検査した組織の断面像の表示とを実行する。
【0022】
コリメート光線の透過放射又は散乱放射の位相、振幅及び直流成分の測定を本発明による装置を使用して改善することにより、位相画像及び変調画像を評価できるようになる。射出側で現れ、測定された信号を組織構造で回折した拡散波として解釈する。この場合、測定値の位相は各々の測定箇所における到来拡散波の平均走行時間にほぼ対応し、振幅は拡散波が受けた減衰にほぼ対応する。走査装置30によって平面状に記録した回折画像を組織モデルを使用しながら画像再構成のために再び処理する。たとえば、分布時点、非対称定数又は位相零交差などの散乱光分布を表わす値を記憶するのであるが、それらの値は組織における反復再構成プロセスを経て、吸収及び散乱分布の不均一性を確定する上での開始データを表わしている。次の測定ステップでは、開始データを利用しながらそれらのステップを繰返し、場合によっては以前の測定ポイントのデータを修正する。この反復方法は位相及び変調レベルに関しても適用され、これはある限度内で散乱変化と吸収変化とを分離させるものである。出力側で、組織中で起こる位相変化及び振幅変化に関する同じ情報が評価装置60に渡される。この方法に関しては、評価装置60で、再構成及び画像処理を短時間のうちに可能にする特定のIC(ASIC)を使用するのが有利である。
【0023】
以下、図2〜図5を参照しながら、本発明による装置の中における検出装置40について使用しうる様々な実施形態を説明する。
それらの実施例は、HF信号をより低い周波数の信号に混合するために使用される混合手段M1,M2と、様々な光源LQi の信号成分の波長に従った分離という役割を果たす使用可能なデマルチプレクス手段D1,D2,D3との組合せかたに関してのみ相違している。
【0024】
この場合、適切な混合手段として問題となるのは電気混合手段M1又は光学混合手段M2である。それと共に、たとえば、光学(光ファイバ)デマルチプレクサD2又はデジタル周波数フィルタリング手段D3のように、並列して動作するデマルチプレクス手段を組合せて使用することができる。さらに、たとえば、公知のチョッパ構造D1を介する順次デマルチプレクスも可能である。
【0025】
図2〜図5の概略ブロック接続図を参照して、混合手段とデマルチプレクス手段の次の4つの組合せかた(Di+Mi/Mi+Di)を説明する:
図2:M2+D2
図3:M2+D3
図4:D2+M1
図5:M1+D3
【0026】
光学混合手段M2を光学デマルチプレクス手段D2と組合せて使用する検出装置の第1の実施形態を図2に示す。この場合、検出装置のこの構成では、変調装置から送り出される変調オフセット周波数Δfi は、使用されるあらゆる波長λi に対して同一である。すなわち、Δf:=Δfi である。
【0027】
走査装置を介して検出装置40に到達するMHz範囲のHF信号は、fG =f+Δfをもって各々変調されて、光学混合手段M2でより低い周波数に混合されてゆく。それらの周波数は周波数オフセットΔfのKHz範囲にある。この目的に適する光学混合手段M2として、周知の音響光学混合手段又は電気光学混合手段、たとえば、New Focus社又はA&A社から販売されている音響光学復調器又は電気光学復調器を適用できる。適切な音響光学変調器の一実施例は図6に表わされている。それぞれ使用される光学混合手段M2を基準信号としての変調装置の高周波数信号f又はf/2をもって動作させる。光学混合手段M2の出力信号として発生されるのは、差周波数Δfをもつ信号、すなわち、KHz範囲の周波数である。それらの信号は、その後に配置された、周知の光ファイバデマルチプレクサとして構成されている光学デマルチプレクス手段D2に達する。そのようなデマルチプレクサは、たとえば、出願人の欧州特許第0194612号の中に記載されている。デマルチプレクス手段D2は波長特有の信号成分λ1,λ2及びλ3に分解し、それらの信号成分は、続いて、それらの波長ごとに構成されている検出器DET1,DET2,DET3に印加される。そこで、検出器DET1,DET2,DET3として使用できるのは、たとえば、フォトダイオードなどの帯域が狭く、手ごろな価格のNF検出器である。伝送された信号成分の記録されている振幅測定値及び位相測定値は、最終的には、検出装置40の評価段Aにおいて、入力信号の振幅及び位相と関連づけられるのであるが、そのために、基準信号として周波数オフセットΔfを利用する。評価段Aで位相と振幅の評価を実行した後、検出した評価信号を評価装置へとさらに送り出し、評価装置はそれらの信号を走査装置の場所従属情報と共にさらに処理する。
【0028】
検出装置40の第2の実施例を図3に示す。この場合には、光学混合手段M2と、デマルチプレクス手段として機能する電子−デジタル又はアナログ−周波数フィルタリング手段D3との組合せが設けられている。図3に示されていない変調装置を介して、いくつかの波長λi に異なる総変調周波数fGi=f+Δfi を与える。すなわち、個々の波長の変調オフセット周波数Δfi は互いに相違している。先に説明した図2の実施例と同様に、まず、同じように基準信号としての変調周波数f又はf/2をもって動作される光学混合手段M2を介して、HF信号のより低い差周波数Δfi への混合を実行する。異なる変調周波数Δfi をもついくつかの波長λi の低周波数信号成分は、続いて、たとえば、アバランシェフォトダイオード又は増倍型光電管として構成されている唯一つの帯域幅の狭いNF検出器DETに達する。その後に配置されている電子周波数フィルタリング手段D3を介して、透過放射のいくつかの異なる波長を分離させる。すなわち、この場合、電子周波数フィルタリング手段D3はデマルチプレクス手段として利用される。電子周波数フィルタリング手段D3は、周知のように、アナログ方式、デジタル方式又はソフトウェア方式で実現されれば良い。先の実施例の場合と同様に、伝送された様々な信号成分Δfi は最終的には評価段Aで入力信号の振幅値及び位相値と関連づけられ、続いて、評価装置へと送り出される。評価装置はそれらの情報を走査装置の場所情報と共にさらに処理する。検出装置40のこの実施形態の利点は、測定時間が短いこと、高感度であること、並びに必要な検出器が唯一つであるために器機コストが安いことである。さらに、光学混合手段M2はHF散乱信号の最適な抑制を保証する。
【0029】
検出装置40の第3の実施形態を図4を参照しながら説明する。この場合には、信号処理を目的として、光学デマルチプレクス手段D2と電気混合手段M1とを組合せている。そこで、いくつかの波長の様々な信号成分を全て同じ変調周波数fGi=f+Δfiをもって変調する。すなわち、全ての波長λiに対してΔfi :=Δfである。まず、使用される様々な波長の異なる信号成分を光学デマルチプレクス手段D2、たとえば、周知の光ファイバデマルチプレクサにおいて波長に従って分離する。続いて、まだ高周波数である信号は電気混合手段M1に到達する。その電気混合手段は、本質的には、基準信号としての変調周波数fによって動作される3つの別個の検出器DET1,DET2,DET3から構成されている。HF信号の混合の目的にも同時に使用できる適切な検出器DET1,DET2,DET3として問題となるのは、たとえば、Fa.Hamamatsuから型名R928の下に販売されているような増倍型光電管である。混合後の、波長に従って分離された信号は、その後、先に説明した実施例の場合と同様に評価段Aに到達する。評価段Aでは、伝送されて来た信号成分の振幅情報及び位相情報を入力信号の対応する情報と関連づける。それらの情報は最終的には評価装置により先に説明した方式でさらに処理される。
【0030】
最後に、検出装置40について可能な第4の実施形態を図5を参照しながら説明する。この場合には、電気混合手段M1をデマルチプレクス手段としての電子周波数フィルタリング手段D3と組合せてある。いくつかの波長の変調周波数fGiは、この実施例においても互いに異なっている。すなわち、個々の波長λi は総変調周波数fGi=f+Δfi を有する。まず、変調周波数fをもって変調される電気混合手段M1では、まず、変調オフセットの周波数範囲のより低い周波数への混合を実行する。この目的のために、電気混合手段として、高電圧供給源HVを含めて、fをもって増幅が変調されるような増倍管光電管が設けられている。続いて、低周波数の信号成分Δfi を電気周波数フィルタリング手段D3において波長ごとに分離させる。評価段Aを経て、再び、透過放射の位相情報及び振幅情報と、入力放射との比較を実行する。先の実施例に相応して、それらの情報を評価装置によって同様にさらに処理する。
【0031】
本発明による走査式光学組織検査装置に適する光学混合手段を図6に示す。この場合、音響光学変調器は、たとえば、A&A社から発売されているような超音波定在波変調器の形態をとる。入力して来た高周波数の信号成分は光ファイバ光導波管201と、結合光学系202、たとえば、Grinレンズを介して定在波変調器200へと結合される。この変調器は超音波変換器203により高周波数で変調されるのであるが、その周波数は変調装置の周波数fの二分の一に対応し、光学信号のHF成分に対して各々のオフセット周波数だけずれている。定在波変調器200を通過する高周波数信号成分はオフセット周波数Δfi へと混合され、零次回折は解放光学系205を介して定在波変調器200から解放されて、別の光ファイバ光導波管206を介してさらに誘導されてゆく。そのような光学混合手段を使用すると、HF範囲のきわめて弱い光学信号を高感度で帯域幅の広い高価な検出器によって対応する電気信号に変換する必要がないので、HF信号の検出に要する器機コストは著しく低減される。そのような高感度検出器は、通常、HF妨害電界の影響をも必常に受けやすい。
【0032】
図7には、別の走査装置300を概略的に示している。この場合には、光線誘導システム150又はその解放光学系310のみが走査装置300によって1つの平面で規定に従って位置決め可能である。透過又は散乱放射の空間分解記録は平坦な静止検出器素子350を介して実行される。この目的のために、光増幅器が前方に接続されている周知のCCDカメラなどを使用することができる。図6に示す走査装置300は、たとえば、一連の不連続の入射ポイントに対して平面検出器素子350を介して、その結果として得られる散乱光分布をそれぞれ記録するように、本発明による装置を動作させることができる。測定値を利用して、画像再構成を実行する。
【0033】
既に図1の説明の中で示唆した通り、外部光をさらに十分に抑制するように保証し、それによって測定精度を向上するためには、走査装置の各検出器素子の前方に立体角選択素子を配設すると有利である。平面検出器素子と組合せるのに適する立体角選択構造を図8に概略的に示す。この場合、照射すべき組織400と、平面検出器素子450との間に、2つのマイクロレンズアレイ420a,420b及びピンホールアレイ410が共焦点構成で存在している。ピンホールアレイ420の背後には、平面検出器素子450、たとえば、周知のCCDアレイ又はCCDカメラが適切に調整されて存在している。個別の検出器位置に対してそれぞれ有効な解放角は個々のマイクロレンズの焦点距離及び直径と、個々のピンホールの直径とによって決まる。さらに、図示する実施例においては、マイクロレンズアレイ420と照射すべき組織400との間で、組織の射出側にダイアフラムアレイが配設されていることから、隣接する領域の一次散乱光抑制を既に達成することができる。
【0034】
また、空間分解検出器構造として1つ又は複数の光ファイバ光導波管を使用した場合にも、類似の立体角選択作用を実現できる。この場合、光ファイバ光導波管のコア直径は先に説明した共焦点構造の1つのピンホールの直径に対応する。その際、光ファイバ光導波管のジャケット材料並びにジャケット厚さを選択することにより、解放角を可変設定できる。そのような構造においては、ファイバ束アレイ又はファイバプレートは検査すべき組織又は境界を限定するガラス板に直接に取付けられており、また、平面検出器はファイバ束の射出開口に対して調整されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による走査式光学組織検査装置のブロック接続図。
【図2】検出装置について可能な実施形態をそれぞれ示す図。
【図3】検出装置について可能な実施形態をそれぞれ示す図。
【図4】検出装置について可能な実施形態をそれぞれ示す図。
【図5】検出装置について可能な実施形態をそれぞれ示す図。
【図6】適切な光学混合手段の一実施例を概略的に示す図。
【図7】側方へ延出する検出器構造を有する可能な走査装置の別の実施例を示す図。
【図8】側方へ延出する検出器構造の前方に配置された立体角選択素子の一実施例を示す図。
【符号の説明】
10…光学発光装置、11a,11b,11c…光源、12…マルチプレクス素子、15…光線誘導システム、20…変調装置、30…走査装置、40…検出装置、50…制御装置、60…評価装置、100…人体組織、M1…電気混合手段、M2…光学混合手段、D1…チョッパ構造、D2…光学デマルチプレクス手段、D3…周波数フィルタリング手段、DET1,DET2,DET3…検出器、A…評価段。[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a scanning optical tissue inspection apparatus.
[0002]
[Prior art]
A series of devices or methods are known for examining human tissue for possible tissue abnormalities. X-rays have long been used to perform such examinations. Although this method achieves a high-contrast image of the skeleton structure of the human body, the image quality that can be achieved when detecting a tumor is often insufficient to make a reliable diagnosis. In particular, if there is a lack of contrast between different types of tissue to be examined, such a method is only suitable in very limited situations for a given purpose. Another significant drawback when using X-rays is the ionizing effect and the resulting exchange with human tissue. For this reason, there has been a long-felt need for inspection methods or suitable devices that can be realized by non-ionizing electromagnetic radiation and provide sufficient image quality for evaluation.
[0003]
An apparatus that does not operate with X-rays but is suitable for detecting changes in the absorption coefficient in a scattering medium is described, for example, in US Pat. No. 4,972,331. In the proposed phase modulation spectroscopy, radiation having two wavelengths in the near-infrared range is alternately incident on the body tissue to be examined, where the radiation signal is modulated at a high frequency. On the detector side, changes in the characteristic radiation, such as phase shifts occurring in the tissue in particular, are recorded, from which the concentration of the tissue element, for example, the tumor, which absorbed the transmitted radiation is inferred.
[0004]
The described device has several disadvantages. First, sequential detection of several wavelengths is also performed due to the alternating incidence of electromagnetic radiation of different wavelength ranges and the use of the selected detector structure, resulting in a measurement Time gets longer. A further problem is that very weak optical signals in the high frequency range have to be converted into electrical signals by sensitive detectors. Such a detector must have a wide bandwidth due to the strong signal noise of the HF signal, and is therefore expensive. The electrical signals provided by the detectors are likewise particularly susceptible to high frequency interference fields from the respective surrounding environment. In addition, using the structure shown, for example, it can only be determined that a tumor is present. An accurate indication of the location and size of the tumor within the examined tissue volume is not possible.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a scanning optical tissue inspection apparatus which guarantees that limited changes in scattering and / or absorption properties in human body tissue are defined with the highest possible contrast and the highest spatial resolution. It is to be. In addition, two-dimensional or three-dimensional image reconstruction from the measurement data should be possible. In addition, efforts are being made to reduce instrument costs while reducing measurement time, and to minimize the effects of external disturbances.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
This object is achieved by a scanning optical tissue inspection device having the features of
The scanning optical histology apparatus according to the present invention enables spatially resolved detection of anomalies in human tissue, such as tumors, including two-dimensional or three-dimensional image reconstruction. A possible application is the early detection of breast cancer.
This has the consequence, in particular, that the equipment costs are significantly lower compared to known devices, which is due to the configuration of the detection device according to the invention. In some embodiments of the detection device, for example, it is possible to apply a highly sensitive detector with a low bandwidth and a reasonable price.
[0007]
Furthermore, two or more different wavelengths are simultaneously coupled via a multiplex element to only one light guiding system, and the detection device is appropriately configured. Thus, in particular, by combining the demultiplexing means with the corresponding mixing means according to the invention, it is possible to reduce the measuring time by at least a factor of two compared to the prior art described above.
In addition, spatial resolution and contrast are improved by image reconstruction according to the convolution principle. For this purpose, the position of the radiation source is fixed, and the distribution of scattered light in the wide plane element on the exit side is measured using a scanning device. There are various scanning devices suitable for this.
[0008]
It has been found to be advantageous to use a solid angle selection element in the scanning device in order to suppress the disturbing "effect of external light" during image reconstruction.
Furthermore, depending on the desired design, the device according to the invention is of a modular construction, so that the individual components can be exchanged at any time without problems, for example the use of several different mixing and detection devices.
Other advantages and details of the scanning optical histological examination device according to the present invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying drawings.
[0009]
【Example】
FIG. 1 shows a block diagram of a scanning optical tissue inspection apparatus according to the present invention. The device has a modular structure such that the individual components can be interchanged without problems depending on the desired design. The device according to the invention essentially comprises an optical light-
In this case, the optical
[0010]
The
[0011]
The modulation frequency for the
[0012]
The optical
The optical light-emitting
[0013]
As an alternative to sequential multiplexing using a chopper structure, it is also possible to use well-known fiber optic multiplexing elements that allow simultaneous coupling, ie, parallel coupling and transmission, of modulated radiation to the
[0014]
As the
[0015]
Here, it is indispensable for the function of the
[0016]
As schematically shown in FIG. 1, detection coupling optics can be provided to focus, ie, couple, the radiation transmitted through the
[0017]
In a second embodiment of the
[0018]
Finally, in the scanning device embodiment described above, instead of a point-like spatially resolved detector structure to be moved, a CCD camera or CCD array with an optical amplifier connected in front is used on the detection side. It is possible to use a three-dimensional, ie laterally extending, spatially resolved detector structure including: In this case, the previously connected optical amplifier serves to mix the HF signal down to a lower signal frequency. One embodiment of a corresponding scanning device is shown in FIG. If the "point light source" is held fixed, it is obvious that a CCD array can be used in the spatially resolved detector structure of the scanning device as well.
[0019]
On the detector side, the scanning device, i.e., the spatially resolved detector structure, is used to record as much as possible only the light rays emerging from the tissue at a defined angle from the tissue to be examined. Advantageously, each has a solid angle selection element in between, thereby suppressing the influence of external light from another spatial direction which interferes with the signal evaluation. An apparatus suitable for this purpose will be described with reference to FIG. Such a solid angle selection element proves to be advantageous for all of the previously described embodiments of the scanning device.
Further, the
[0020]
The weak radiation signal recorded via the
Serving as the basis for the detected information of the transmitted radiation signal is the signal of the modulator and of the optical light-emitting device, respectively, that is, in particular, the phase information and the amplitude information which, once applied, change when passing through the tissue.
[0021]
Some possible modifications of the
The changes in phase and amplitude of the individual wavelength components that occur in the
[0022]
By improving the measurement of the phase, amplitude and DC components of the transmitted or scattered radiation of the collimated light beam using the device according to the invention, phase and modulated images can be evaluated. It appears on the exit side and interprets the measured signal as a diffuse wave diffracted by the tissue structure. In this case, the phase of the measured value approximately corresponds to the average transit time of the arriving spread wave at each measurement location, and the amplitude substantially corresponds to the attenuation experienced by the spread wave. The diffraction image recorded in a plane by the
[0023]
Hereinafter, various embodiments that can be used for the
These embodiments show mixing means M1, M2 used to mix the HF signal into lower frequency signals and various light sources LQ i The only difference is in the combination with the available demultiplexing means D1, D2, D3, which plays the role of separating the signal components according to the wavelength.
[0024]
In this case, what is problematic as an appropriate mixing means is the electric mixing means M1 or the optical mixing means M2. Along with that, it is possible to use a combination of demultiplexing means operating in parallel, such as for example an optical (optical fiber) demultiplexer D2 or a digital frequency filtering means D3. Furthermore, for example, sequential demultiplexing via a known chopper structure D1 is also possible.
[0025]
Referring to the schematic block connection diagrams of FIGS. 2 to 5, the following four combinations of the mixing means and the demultiplexing means (D i + M i / M i + D i Explain):
Figure 2: M2 + D2
Figure 3: M2 + D3
Figure 4: D2 + M1
Figure 5: M1 + D3
[0026]
FIG. 2 shows a first embodiment of a detection apparatus using the optical mixing means M2 in combination with the optical demultiplexing means D2. In this case, in this configuration of the detection device, the modulation offset frequency Δf sent out from the modulation device i Is any wavelength λ used i Is the same for That is, Δf: = Δf i It is.
[0027]
The HF signal in the MHz range reaching the
[0028]
FIG. 3 shows a second embodiment of the
[0029]
A third embodiment of the
[0030]
Finally, a possible fourth embodiment of the
[0031]
FIG. 6 shows an optical mixing means suitable for the scanning optical tissue inspection apparatus according to the present invention. In this case, the acousto-optic modulator takes the form of, for example, an ultrasonic standing wave modulator such as that marketed by A & A. The input high-frequency signal component is coupled to a
[0032]
FIG. 7 schematically shows another
[0033]
As already suggested in the description of FIG. 1, in order to ensure that the external light is more sufficiently suppressed and thereby to improve the measurement accuracy, a solid angle selection element is arranged in front of each detector element of the scanning device. Is advantageously arranged. A solid angle selection structure suitable for combination with a flat detector element is shown schematically in FIG. In this case, between the
[0034]
Similar solid angle selection effects can also be achieved when one or more optical fiber optical waveguides are used as the spatially resolved detector structure. In this case, the core diameter of the optical fiber optical waveguide corresponds to the diameter of one pinhole of the confocal structure described above. At this time, the release angle can be variably set by selecting the jacket material and the jacket thickness of the optical fiber optical waveguide. In such a configuration, the fiber bundle array or fiber plate is attached directly to the glass plate defining the tissue or boundary to be examined, and the flat detector is adjusted to the fiber bundle exit aperture. I have.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a scanning optical tissue inspection apparatus according to the present invention.
FIG. 2 shows possible embodiments for the detection device, respectively.
FIG. 3 shows a possible embodiment for the detection device, respectively.
FIG. 4 shows possible embodiments of the detection device.
FIG. 5 shows a possible embodiment for the detection device, respectively.
FIG. 6 schematically shows an embodiment of a suitable optical mixing means.
FIG. 7 shows another embodiment of a possible scanning device having a laterally extending detector structure.
FIG. 8 illustrates one embodiment of a solid angle selection element located in front of a laterally extending detector structure.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (12)
光学発光装置(10)から発生された放射光を高周波数で強さ変調する変調装置(20)と、
光線誘導装置(15)を離れた高周波変調された光束を所定位置決めすると共に、検査すべき組織(100)を透過した放射を空間分解検出器構造によって空間分解検出する走査装置(30)と、
前記走査装置(30)の後段に設けられ、前記走査装置(30)からの高周波数の信号に高周波数の信号を混合してより低い周波数の信号を得るミクサ手段(M1,M2)と、波長に特有の信号成分を分離させるとともに記録された信号の位相と振幅を検出する分離検出装置と、該検出分離装置から送信された信号を光学発光装置(10)から発生された信号の入力信号と関連づける評価段(A)とからなる検出装置(40)と、
前記検出装置(40)の評価段(A)から発生された信号を画像形成処理する評価装置(60)
とを具備する走査式光学組織検査装置。Each independent light source (11a), (11b), (11c) and a multiplexing element (12) for combining beams of different wavelengths emitted from these light sources into a single light guiding device (15). An optical light-emitting device (10) having
A modulator (20) for intensity-modulating the emitted light from the optical light-emitting device (10) at a high frequency;
A scanning device (30) for positioning a high-frequency modulated light beam leaving the light guiding device (15) and spatially resolving and detecting radiation transmitted through the tissue (100) to be examined by a spatially resolving detector structure;
Mixer means (M1, M2) provided downstream of the scanning device (30) for mixing a high frequency signal with a high frequency signal from the scanning device (30) to obtain a lower frequency signal ; And a detecting device for separating a signal component peculiar to the device and detecting a phase and an amplitude of a recorded signal, and converting a signal transmitted from the detecting and separating device into an input signal of a signal generated from an optical light emitting device (10). A detection device (40) comprising an associating evaluation stage (A) ;
The detection device (40) evaluating device for an image forming process the generated signal from the evaluation stage (A) (60)
A scanning optical tissue inspection apparatus comprising:
光学発光装置(10)から発生された放射光を高周波数で強さ変調する変調装置(20)と、
光線誘導装置(15)を離れた高周波変調された光束を所定位置決めすると共に、検査すべき組織(100)を透過した放射を空間分解検出器構造によって空間分解検出する走査装置(30)と、
前記走査装置(30)によって得られた高周波信号の位相及び強さ(振幅)を検出する検出器(40)と、
該検出装置(40)からの信号を画像形成処理する評価装置(60)と
を具備する走査式光学組織検査装置であって、
前記検出装置(40)は、
前記走査装置(30)からの高周波数信号に高周波数の信号を混合してより低い周波数の信号を得る光学混合手段(M2)と、その光学混合手段(M2)からの低周波数の信号を波長成分毎に分離する光ファイバデマルチプレクス手段(D2)と、各分離された波長成分を持つ信号の位相と振幅を検出する検出器(DET1,DET2,DET3)と、該検出器によりそれぞれ分離された信号を光学発光装置(10)から発生された信号の入力信号と関連づける評価段(A)とを有し、この評価段(A)の出力が前記評価装置(60)に入力されることを特徴とする走査式光学組織検査装置。 Each independent light source (11a), (11b), (11c) and a multiplexing element (12) for combining beams of different wavelengths emitted from these light sources into a single light guiding device (15). An optical light-emitting device (10) having
A modulator (20) for intensity-modulating the emitted light from the optical light-emitting device (10) at a high frequency;
A scanning device (30) for positioning a high-frequency modulated light beam leaving the light guiding device (15) and spatially resolving and detecting radiation transmitted through the tissue (100) to be examined by a spatially resolving detector structure;
A detector (40) for detecting the phase and intensity (amplitude) of the high-frequency signal obtained by the scanning device (30);
An evaluation device (60) for performing an image forming process on a signal from the detection device (40), wherein the scanning optical tissue inspection device comprises:
The detection device (40) includes:
An optical mixing means (M2) for obtaining a lower frequency signal by mixing a high frequency signal with the high frequency signal from the scanning device (30), and converting the low frequency signal from the optical mixing means (M2) into a wavelength. Optical fiber demultiplexing means (D2) for separating each component, detectors (DET1, DET2, DET3) for detecting the phase and amplitude of a signal having each separated wavelength component, and each of which is separated by the detector. An evaluation stage (A) for associating the output signal with an input signal of a signal generated from the optical light emitting device (10), wherein an output of the evaluation stage (A) is input to the evaluation device (60). Characteristic scanning optical tissue inspection device.
光学発光装置(10)から発生された放射光を高周波数で強さ変調する変調装置(20)と、
光線誘導装置(15)を離れた高周波変調された光束を所定位置決めすると共に、検査すべき組織(100)を透過した放射を空間分解検出器構造によって空間分解検出する走査装置(30)と、
前記走査装置(30)によって得られた高周波信号の位相及び強さ(振幅)を検出する検出器(40)と、
該検出装置(40)からの信号を画像形成処理する評価装置(60)と
を具備する走査式光学組織検査装置であって、
前記検出装置(40)は、
前記走査装置(30)からの高周波数信号に高周波数の信号を混合してより低い周波数の信号を得る光学混合手段(M2)と、その低周波数の信号の位相及び振幅をとらえる検出器(DET)と、この検出器からの信号を波長成分毎に分離する電子周波数フィルタリング手段(D3)と、該電子周波数フィルタリング手段(D3)から送信された信号を前記光学発光装置(10)から発生された信号の入力信号と関連づける評価段(A)とを有し、この評価段(A)の出力が前記評価装置(60)に入力されることを特徴とする走査式光学組織検査装置。Each independent light source (11a), (11b), (11c) and a multiplexing element (12) for combining beams of different wavelengths emitted from these light sources into a single light guiding device (15). An optical light-emitting device (10) having
A modulator (20) for intensity-modulating the emitted light from the optical light-emitting device (10) at a high frequency;
A scanning device (30) for positioning a high-frequency modulated light beam leaving the light guiding device (15) and spatially resolving and detecting radiation transmitted through the tissue (100) to be examined by a spatially resolving detector structure;
A detector (40) for detecting the phase and intensity (amplitude) of the high-frequency signal obtained by the scanning device (30);
An evaluation device (60) for performing an image forming process on a signal from the detection device (40), wherein the scanning optical tissue inspection device comprises:
The detection device (40) includes:
An optical mixing means (M2) for mixing a high-frequency signal with a high-frequency signal from the scanning device (30) to obtain a lower-frequency signal; and a detector (DET) for detecting the phase and amplitude of the low-frequency signal. ), An electronic frequency filtering means (D3) for separating a signal from the detector for each wavelength component, and a signal transmitted from the electronic frequency filtering means (D3) generated from the optical light emitting device (10). A scanning optical tissue inspection apparatus, comprising: an evaluation stage (A) for associating a signal with an input signal, wherein an output of the evaluation stage (A) is input to the evaluation device (60) .
光学発光装置(10)から発生された放射光を高周波数で強さ変調する変調装置(20)と、
光線誘導装置(15)を離れた高周波変調された光束を所定位置決めをすると共に、検査すべき組織(100)を透過した放射を空間分解検出器構造によって空間分解検出する走査装置(30)と、
前記走査装置(30)によって得られた高周波信号の位相及び強さ(振幅)を検出する検出器(40)と、
該検出装置(40)からの信号を画像形成処理する評価装置(60)と
を具備する走査式光学組織検査装置であって、
前記検出装置(40)は、
前記走査装置(30)からの高周波数信号を波長に従って分離する光ファイバデマルチプレクス手段(D2)と、この光ファイバデマルチプレクス手段(D2)により分離された波長毎の信号を受け波長を感知すると同時に高周波数信号をより低い周波数に混合する電子混合手段(M1)として機能する検出器(DET1,DET2,DET3)と、該検出器から送信された信号を光学発光装置(10)から発生された信号の入力信号と関連づける評価段(A)とを有し、この評価段(A)の出力が前記評価装置(60)に入力されることを特徴とする走査式光学組織検査装置。Each independent light source (11a), (11b), (11c) and a multiplexing element (12) for combining beams of different wavelengths emitted from these light sources into a single light guiding device (15). An optical light-emitting device (10) having
A modulator (20) for intensity-modulating the emitted light from the optical light-emitting device (10) at a high frequency;
A scanning device (30) for positioning a high-frequency modulated light beam leaving the light guiding device (15) and for spatially resolving and detecting radiation transmitted through the tissue (100) to be examined by a spatially resolving detector structure;
A detector (40) for detecting the phase and intensity (amplitude) of the high-frequency signal obtained by the scanning device (30);
An evaluation device (60) for performing an image forming process on a signal from the detection device (40), wherein the scanning optical tissue inspection device comprises:
The detection device (40) includes:
An optical fiber demultiplexing means (D2) for separating a high frequency signal from the scanning device (30) according to a wavelength; and receiving a signal for each wavelength separated by the optical fiber demultiplexing means (D2) to detect a wavelength. At the same time, detectors (DET1, DET2, DET3) functioning as an electronic mixing means (M1) for mixing a high frequency signal to a lower frequency, and a signal transmitted from the detector is generated from an optical light emitting device (10). An evaluation stage (A) for associating the output signal with the input signal of the scanning signal, wherein an output of the evaluation stage (A) is input to the evaluation device (60) .
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