WO2022162147A1 - Hybrid-lichtleitfaser, endoskopisches system und verfahren zum untersuchen einer probe - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Lichtleitfaser (1), die eine Mehrzahl an Faserkernen (2), einen ersten Mantel (3), der die Mehrzahl an Faserkernen (2) einschließt, und einen zweiten Mantel (4), der den ersten Mantel (3) umschließt, umfasst. Dabei weisen die Faserkerne (2) einen ersten Brechungsindex n1, der erste Mantel (3) einen zweiten Brechungsindex n2 und der zweite Mantel (4) einen dritten Brechungsindex n3 auf, wobei n1 größer als n2 und n2 größer als n3 ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein endoskopisches System (8) zum Untersuchen einer Probe (9) mit einer Hybrid-Lichtleitfaser (1) und einer optischen Anordnung (21). Die optische Anordnung (21) umfasst eine kohärente Lichtquelle (13) zum Einbringen von Licht in ein proximales Ende der Hybrid-Lichtleitfaser (1), so dass die Faserkerne (2) der Hybrid-Lichtleitfaser (1) zusammen mit dem ersten Mantel (3) der Hybrid-Lichtleitfaser (1) als Multimode-Lichtleitfaser fungieren. Des Weiteren umfasst die optische Anordnung (21) einen Fotodetektor (20), umfassend eine Mehrzahl an Pixeln, zum Detektieren des aus den einzelnen Faserkernen (2) austretenden Lichts. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Untersuchen einer Probe (9) mittels eines endoskopischen Systems (8).

Description

Hybrid-Lichtleitfaser, Endoskopisches System und Verfahren zum Untersuchen einer Probe
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Hybrid-Lichtleitfaser, ein endoskopisches System zum Untersuchen einer Probe und ein Verfahren zum Untersuchen einer Probe mittels eines endoskopischen Systems.
Hintergrund
Endoskopische Verfahren werden in den unterschiedlichsten Ausprägungen und zur Untersuchung von unterschiedlichsten Proben verwendet. Eine Klasse von endoskopischen Verfahren basiert dabei auf der Verwendung von Lichtleitfasern als Sonden. Durch den üblicherweise relativ geringen Durchmesser dieser Lichtleitfasern sind diese endoskopischen Verfahren nur gering invasiv.
Als ein Beispiel sei die Endoskopie mit Faserbündeln oder mit sogenannten Multikern- Lichtleitfasern genannt. Dabei sind bei Faserbündeln eine Mehrzahl an Lichtleitfasern mit einer oder wenigen anregbaren Lichtmoden zu einem Bündel zusammengefasst. Bei Multikern- Lichtleitfasern hingegen sind mehrere Faserkerne mit einer oder wenigen anregbaren Lichtmoden innerhalb eines Gesamtmantels zusammengefasst. Jede einzelne Lichtleitfaser bzw. jeder einzelne Faserkern dient dabei als ein einzelner Bildpixel, so dass die zu erreichende Auflösung vom Abstand zwischen den einzelnen Lichtleitfasern bzw. Faserkernen abhängt.
Als weiteres Beispiel sei die holographische Endoskopie, also die Endoskopie mit einem endoskopischen System mit einer Multimode-Lichtleitfaser als Sonde, genannt. Diese Art der Endoskopie bietet die Möglichkeit, besonders hochauflösende Bilder von Proben zu erhalten. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass es nur bei unbewegten Proben anwendbar ist, da eine genaue Manipulation der Wellenfront sichergestellt sein muss und diese sehr empfindlich gegenüber einer Biegung oder Verformung der Multimode-Lichtleitfasern ist. Zusammenfassung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein endoskopisches System, eine zum endoskopischen System gehörende Sonde sowie ein Verfahren zum Untersuchen einer Probe vorzuschlagen, die die oben genannten Nachteile des Stands der Technik überwinden, die also insbesondere eine besonders hohe Auflösung bereitstellen und bei bewegten Proben anwendbar sind. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Hybrid-Lichtleitfaser, die eine Mehrzahl an Faserkernen umfasst. Die Faserkerne sind dabei derart ausgebildet, dass für das zu verwendende Licht, insbesondere im Bereich des sichtbaren Spektrums, also mit Wellenlängen im Bereich von etwa 380 nm bis 750 nm, eine oder einige wenige Lichtmoden anregbar sind.
Des Weiteren umfasst die Hybrid-Lichtleitfaser einen ersten Mantel, der die Mehrzahl an Faserkernen einschließt. In einem Querschnitt der Hybrid-Lichtleitfaser ist der erste Mantel dabei insbesondere kreisförmig und die Mehrzahl an Faserkernen ist innerhalb des ersten Mantels angeordnet.
Ferner umfasst die Hybrid-Lichtleitfaser einen zweiten Mantel, der den ersten Mantel umschließt. In einem Querschnitt der Hybrid-Lichtleitfaser ist der zweite Mantel dabei insbesondere ringförmig, wobei die Innenseite des zweiten Mantels mit der Außenseite des ersten Mantels übereinstimmt.
Die Faserkerne weisen einen ersten Brechungsindex niz der erste Mantel einen zweiten Brechungsindex n2 und der zweite Mantel einen dritten Brechungsindex n3 auf. Dabei ist ni größer als n2 und n2 größer als n3. Dadurch, dass ni größer als n2 ist, wird eine Totalreflexion in den einzelnen Faserkernen ermöglicht, so dass innerhalb der einzelnen Faserkerne Lichtwellenleitung stattfinden kann. Dadurch, dass n2 größer als n3 ist, wird zudem eine Totalreflexion an der Grenze des ersten Mantels zum zweiten Mantel ermöglicht, so dass der erste Mantel zusammen mit den Faserkernen als Multimode-Lichtleitfaser fungieren kann.
Der erste Mantel kann also zusammen mit der Mehrzahl an Faserkernen als Multimode- Lichtleitfaser verwendet werden. Somit lässt sich, mit einem entsprechenden endoskopischen System, insbesondere eine unbewegte Probe mit hoher Auflösung untersuchen.
Es können aber auch die einzelnen Faserkerne zur Untersuchung der Probe verwendet werden, wobei dann jeder Faserkern einem Bildpixel entspricht. In diesem Fall ist auch die
Untersuchung einer bewegten Probe möglich, da bei der Anregung der Faserkerne mit einer oder wenigen Lichtmoden eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber einer Biegung oder Verformung der Faserkerne herrscht.
Somit bietet die Hybrid-Lichtleitfaser sowohl die Möglichkeit der Untersuchung einer unbewegten Probe mit hoher Auflösung als auch die Möglichkeit der Untersuchung einer bewegten Probe, wobei sich dann die Auflösung auf den Abstand zwischen den Faserkernen beschränkt.
In einigen Ausführungsformen sind die Faserkerne in einem Querschnitt der Hybrid- Lichtleitfaser in einer orthogonalen Punktgruppe oder in einer hexagonalen Punktgruppe angeordnet. Die Anordnung in einer orthogonalen Punktgruppe bedeutet dabei, dass die Faserkerne an den Kreuzungspunkten eines Rechteckgitters angeordnet sind. Insbesondere können die Faserkerne dabei an den Kreuzungspunkten eines Quadratgitters angeordnet sein. Somit ergibt sich eine besonders einfache Anordnung der Faserkerne in einem orthogonalen Koordinatensystem. Die Anordnung in einer hexagonalen Punktgruppe bedeutet hingegen, dass die Faserkerne an den Kreuzungspunkten eines hexagonalen Gitters angeordnet sind. Diese Anordnung entspricht einer dichtesten Packung der Faserkerne in der Hybrid-Lichtleitfaser, so dass eine maximale Anzahl an Faserkernen eines vorgegebenen Durchmessers in einem ersten Mantel eines vorgegebenen Durchmessers angeordnet werden kann. Hierbei ist anzumerken, dass sich die Faserkerne in einem Querschnitt der Hybrid-Lichtleitfaser üblicherweise nicht berühren, so dass der bzw. die im Faserkern angeregten Lichtmodus bzw. Lichtmoden nicht in benachbarte Faserkerne koppeln. Es wird also, im Querschnitt gesehen, ein vorgegebener Mindestabstand zwischen zwei Faserkernen eingehalten. Des Weiteren sind beispielsweise auch ungeordnete und/oder chaotische Anordnungen der Faserkerne denkbar.
In einigen Ausführungsformen beträgt ein Durchmesser der Faserkerne zwischen 5 pm und 20 pm, insbesondere zwischen 8 pm und 13 pm. Bei diesen Durchmessern lassen sich eine bis einige wenige Lichtmoden im Faserkern anregen und gute Auflösungen, bis etwa 10 pm, erzielen.
In einigen Ausführungsformen beträgt ein Abstand zwischen zwei benachbarten Faserkernen zwischen 10 pm und 50 pm, insbesondere zwischen 20 pm und 30 pm. Dieser Abstand, zusammen mit einem entsprechenden Durchmesser der Faserkerne, gewährleistet, dass keine Kopplung der Lichtmoden von einem Faserkern zu einem benachbarten Faserkern stattfinden kann und die einzelnen Faserkerne somit als einzelne Bildpixel fungieren können.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der Faserkerne in der Hybrid-Lichtleitfaser zwischen 30 und 100, insbesondere zwischen 50 und 70. Mit dieser Anzahl an Faserkernen lässt sich ein grobes Bild der Probe erzielen, insbesondere, wenn sich die Probe bewegt, gleichzeitig bleibt ein Durchmesser der Hybrid-Lichtleitfaser relativ gering, so dass die Probe durch die Hybrid-Lichtleitfaser nicht zu sehr beschädigt wird.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Hybrid-Lichtleitfaser ferner eine den zweiten Mantel umschließende Schutzbeschichtung und/oder äußere Hülle. So wird der zweite Mantel vor äußeren Einflüssen geschützt und die Haltbarkeit der Hybrid-Lichtleitfaser verlängert.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein endoskopisches System zum Untersuchen einer Probe. Die Probe kann dabei zu einem ersten Zeitpunkt unbeweglich bzw. weitgehend unbeweglich und zu einem zweiten Zeitpunkt beweglich sein. Insbesondere handelt es sich bei der Probe um ein Tier, ganz insbesondere um einen Menschen. Mit Hilfe des endoskopischen Systems können dabei beispielsweise Neuronen und/oder die Vernetzung von Neuronen in der Probe untersucht werden. Das endoskopische System umfasst dabei eine Hybrid-Lichtleitfaser gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
Des Weiteren umfasst das endoskopische System eine optische Anordnung. Die optische Anordnung umfasst eine kohärente Lichtquelle zum Einbringen von Licht in ein proximales Ende der Hybrid-Lichtleitfaser. Bei der kohärenten Lichtquelle kann es sich beispielsweise um einen Laser handeln, wobei mittels eines Modifikators die vom Laser ausgesandte Lichtwellenfront modifiziert wird. Das Licht von der kohärenten Lichtquelle kann dabei derart in das proximale Ende der Hybrid-Lichtleitfaser eingebracht werden, dass die Faserkerne der Hybrid- Lichtleitfaser zusammen mit dem ersten Mantel der Hybrid-Lichtleitfaser als Multimode- Lichtleitfaser fungieren. Des Weiteren umfasst die optische Anordnung einen Fotodetektor, umfassend eine Mehrzahl an Pixeln, zum Detektieren des aus den einzelnen Faserkernen austretenden Lichts. Dieses Licht wird dabei von dem durch das Licht beleuchteten Objektpunkt bzw. Bereich vor dem distalen Ende der Hybrid-Lichtleitfaser ausgesandt. Diese Lichtantwort kann beispielsweise durch Reflexion, Fluoreszenz, Raman-Streuung, stimulierte Raman- Streuung, kohärente Anti-Stokes Raman-Streuung, Autofluoreszenz und/oder Frequenzverdopplung erfolgen. Das vom beleuchteten Objektpunkt bzw. Bereich ausgesandte Licht wird von den einzelnen Faserkernen und/oder dem ersten Mantel zum proximalen Ende der Hybrid-Lichtleitfaser geleitet. Damit die Beleuchtung und Detektion gleichzeitig erfolgen kann, sind die kohärente Lichtquelle und der Fotodetektor beispielsweise über einen Strahlteiler, insbesondere über einen dichroitischen Strahlteiler, in die optische Anordnung eingebunden.
In einigen Ausführungsformen ist das endoskopische System dazu ausgebildet, in einem ersten Betriebsmodus und in einem zweiten Betriebsmodus betrieben zu werden. Im ersten Betriebsmodus werden dabei mittels der kohärenten Lichtquelle Lichtmoden in der als Multimode-Lichtleitfaser fungierenden Hybrid-Lichtleitfaser derart angeregt, dass nacheinander einzelne Objektpunkte in der Probe beleuchtet werden. Die von den einzelnen Objektpunkten ausgesandte Lichtantwort wird dabei vom Fotodetektor detektiert. Hierbei wird insbesondere über alle Pixel des Fotodetektors summiert. Im ersten Betriebsmodus, der vorzugsweise bei einer unbewegten Probe verwendet wird, kann somit eine Untersuchung der Probe mit einer besonders hohen Auflösung erzielt werden.
Im zweiten Betriebsmodus werden mittels der kohärenten Lichtquelle Objekte in der Probe beleuchtet. Die von den Objekten ausgesandte Lichtantwort wird dabei für jeden Faserkern separat vom Fotodetektor detektiert. Dazu ist jedem Faserkern zumindest ein Pixel des zweiten Fotodetektors zugeordnet. Im zweiten Betriebsmodus lassen sich auch bewegte Proben untersuchen, wobei die Auflösung auf den Abstand zwischen zwei Faserkernen beschränkt ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst die optische Anordnung eine weitere Lichtquelle zum Einbringen von Licht in die Faserkerne und/oder den ersten Mantel. Dabei weist die weitere Lichtquelle vorzugsweise eine Mehrzahl an Teillichtquellen auf. Bei diesen Teillichtquellen kann es sich insbesondere um LEDs handeln. Dabei sind die Teillichtquellen vorzugsweise in einem Array angeordnet, so dass die Teillichtquellen den Faserkernen der Hybrid-Lichtleitfaser zugeordnet sind. Es wird also in jeden Faserkern separat Licht eingeleitet. Dabei ist es möglich, gleichzeitig in alle Faserkerne Licht einzuleiten oder nacheinander in die einzelnen Faserkerne Licht einzuleiten. Die weitere Lichtquelle wird dabei vorzugsweise im zweiten Betriebsmodus des endoskopischen Systems zur Beleuchtung der Objekte der Probe verwendet.
In einigen Ausführungsformen umfasst die optische Anordnung einen weiteren Fotodetektor zum Detektieren des aus den Faserkernen und dem ersten Mantel austretenden Lichts. Die kohärente Lichtquelle sowie der weitere Fotodetektor sind dabei einer ersten optischen Teilanordnung zugeordnet, während die weitere Lichtquelle sowie der Fotodetektor einer zweiten optischen Teilanordnung zugeordnet sind. Vorzugsweise wird der erste Betriebsmodus mittels der ersten optischen Teilanordnung und der zweite Betriebsmodus mittels der zweiten optischen Teilanordnung durchgeführt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das endoskopisches System ferner eine Schaltungsvorrichtung zum Wechseln zwischen der ersten optischen Teilanordnung und der zweiten optischen Teilanordnung. Die Schaltungsvorrichtung kann dabei beispielsweise optisch, z.B. durch einen verstellbaren Spiegel, oder mechanisch, durch Verschieben der ersten und zweiten optischen Teilanordnung, ausgebildet sein. Mittels der Schaltungsvorrichtung kann also zwischen dem hochauflösenden Untersuchen der unbewegten Probe mittels der ersten optischen Teilanordnung und dem geringer auflösenden Untersuchen der bewegten Probe mittels der zweiten optischen Teilanordnung gewechselt werden.
In einigen Ausführungsformen sind die erste optische Teilanordnung und/oder die zweite optische Teilanordnung separat mit der Hybrid-Lichtleitfaser verwendbar. Die jeweils andere optische Teilanordnung ist also in diesen Fällen vom Rest des endoskopischen Systems trennbar. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die erste optische Teilanordnung, die auf Grund der kohärenten Lichtquelle üblicherweise in Vergleich zur zweiten optischen Teilanordnung sehr groß ist, vom Rest des endoskopischen Systems getrennt wird und die Hybrid-Lichtleitfaser mit der vergleichsweise kleinen zweiten optischen Teilanordnung zur Untersuchung der bewegten Probe verbleibt.
In einigen Ausführungsformen besteht die Hybrid-Lichtleitfaser aus zumindest einem ersten Teil und einem zweiten Teil. Dabei sind der erste Teil und der zweite Teil über ein Verbindungselement trennbar miteinander verbunden. Hierzu sind beispielsweise an dem dem zweiten Teil zugewandten Ende des ersten Teils und dem dem ersten Teil zugewandten Ende des zweiten Teils keramische Endhülsen auf den ersten bzw. zweiten Teil der Hybrid- Lichtleitfaser aufgebracht. Über eine Verbindungsmuffe werden dann die beiden Teile miteinander verbunden. So kann der erste Teil, der in die Probe eingeführt ist, in der Probe verbleiben und für eine Untersuchung der Rest des endoskopischen Systems mittels des zweiten Teils mit dem ersten Teil verbunden werden.
In einigen Ausführungsformen weist die optische Anordnung im ersten Betriebsmodus und/oder die erste optische Teilanordnung eine erste numerische Apertur NAi und die optische Anordnung im zweiten Betriebsmodus und/oder die zweite optische Teilanordnung eine zweite numerische Apertur NA2 auf, wobei NAi größer als NA2 ist. NAi ist dabei so groß, dass das in die Faserkerne und den ersten Mantel eingekoppelte Licht von den Faserkernen zum ersten Mantel und zurück übergehen kann, so dass die Faserkerne und der erste Mantel zusammen als Multimode-Lichtleitfasern fungieren. NA2 ist hingegen so klein, dass kein Übergang vom Licht aus den Faserkernen in den Mantel stattfindet, so dass das Licht in den einzelnen Faserkernen verbleibt und jeder Faserkern als einzelner Pixel fungieren kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Untersuchen einer Probe. Die Probe kann dabei zunächst unbeweglich bzw. weitgehend unbeweglich und zu einem späteren Zeitpunkt beweglich sein. Insbesondere handelt es sich bei der Probe um ein Tier, ganz insbesondere um einen Menschen. Mit Hilfe des endoskopischen Systems können dabei beispielsweise Neuronen und/oder die Vernetzung von Neuronen in der Probe untersucht werden.
Das Verfahren wird mittels eines endoskopischen Systems gemäß der vorangegangenen Beschreibung durchgeführt. Dabei ist die Hybrid-Lichtleitfaser des endoskopischen Systems in die Probe eingeführt.
Zunächst ist die Probe unbeweglich und die optische Anordnung und/oder die erste optische Teilanordnung des endoskopischen Systems an der Hybrid-Lichtleitfaser angeschlossen. Mittels der kohärenten Lichtquelle wird Licht in die Faserkerne und den ersten Mantel der Hybrid- Lichtleitfaser eingebracht, so dass die Hybrid-Lichtleitfaser als Multimode-Lichtleitfaser fungiert. Nacheinander werden durch die Hybrid-Lichtleitfaser eine Vielzahl an Objektpunkten in der Probe beleuchtet und die von den Objektpunkten ausgesandte Lichtantwort durch die Hybrid-Lichtleitfaser und mittels des Fotodetektors oder weiteren Fotodetektors detektiert. Diese Untersuchung der unbewegten Probe liefert Bilder mit einer besonders hohen Auflösung.
Zu einem späteren Zeitpunkt bewegt sich die Probe und die optische Anordnung und/oder die zweite optische Teilanordnung des endoskopischen Systems ist an der Hybrid-Lichtleitfaser angeschlossen. Mittels der kohärenten Lichtquelle oder der weiteren Lichtquelle wird Licht in die Faserkerne und/oder den ersten Mantel eingebracht. Dadurch werden Objekte an distalen Enden der Faserkerne beleuchtet. Die von den Objekten ausgesandte Lichtantwort wird durch die Faserkerne zum Fotodetektor geleitet und von Pixeln des Fotodetektors detektiert. Diese Untersuchung liefert zwar Bilder mit einer geringeren Auflösung, ist aber an der bewegten Probe möglich. Da die Untersuchungen mit der hohen Auflösung an der unbewegten Probe und der geringeren Auflösung an der bewegten Probe mit derselben Hybrid-Lichtleitfaser gemacht werden, ist eine genaue Zuordnung der durch die Faserkerne erhaltenen Pixel zu Bereichen im hochaufgelösten Bild möglich.
In einigen Ausführungsformen werden Lichttransmissionseigenschaften der Hybrid- Lichtleitfaser in der Verwendung als Multimode-Lichtleitfaser vor der Untersuchung der Probe gemessen. Dabei wird die Hybrid-Lichtleitfaser vorzugsweise in der Form, beispielsweise gerade oder mit Krümmungen, gehalten, in der sie dann auch in der Probe zu liegen kommt. Es wird dabei auf einer Seite der Hybrid-Lichtleitfaser definiertes kohärentes Licht in die Hybrid- Lichtleitfaser eingeleitet und das Ergebnis auf der anderen Seite der Hybrid-Lichtleitfaser gemessen. So kann ermittelt werden, welche Modifikationen des kohärenten Lichts notwendig sind um die Beleuchtung eines einzelnen Objektpunkts zu erhalten.
Alternativ oder zusätzlich zur Messung der Lichttransmissionseigenschaften können die Lichttransmissionseigenschaften der Hybrid-Lichtleitfaser auch durch eine auf der Wellenausbreitung basierende Modellierung berechnet werden.
In einigen Ausführungsformen ist, wenn die zweite optische Teilanordnung an die Hybrid- Lichtleitfaser angeschlossen ist, die erste optische Teilanordnung vollständig von der Hybrid- Lichtleitfaser getrennt. Diese Trennung kann auf mechanischem Wege in verschiedenster Form erfolgen. Durch die Trennung der ersten optischen Teilanordnung, die im Vergleich zur zweiten optischen Teilanordnung sehr groß ist, bleibt bei der Untersuchung der bewegten Probe nur die kleinere zweite optische Teilanordnung mit der Hybrid-Lichtleitfaser und damit mit der Probe verbunden. Dies ermöglicht eine leichtere Untersuchung der Probe, beispielsweise, indem die zweite optische Teilanordnung an der Probe befestigt wird.
In einigen Ausführungsformen wird nach einer Untersuchung der Probe die Hybrid- Lichtleitfaser in einen ersten Teil, der in die Probe eingeführt ist, und einen zweiten Teil getrennt. Der erste Teil der Hybrid-Lichtleitfaser verbleibt somit in der Probe, wirkt sich durch seine geringen Abmessungen und sein geringes Gewicht jedoch nicht oder nur wenig störend auf die Probe aus. Zu einem späteren Zeitpunkt werden der erste Teil und der zweite Teil für eine weitere Untersuchung der Probe dann wieder miteinander verbunden. Es entfällt damit zum einen ein erneutes Einführen der Hybrid-Lichtleitfaser in die Probe, zum anderen wird wieder genau die gleiche Stelle der Probe untersucht wie bei der ersten Untersuchung.
Es versteht sich, dass eine bevorzugte Ausführungsform auch aus einer Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem jeweiligen unabhängigen Anspruch erzielt werden kann.
Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Hybrid- Lichtleitfaser;
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hybrid- Lichtleitfaser;
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel einer Hybrid-Lichtleitfaser;
Fig. 4 einen Querschnitt durch ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel einer Hybrid-Lichtleitfaser;
Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen zusammengefügten ersten Teil und zweiten Teil einer Hybrid-Lichtleitfaser;
Fig. 6a eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines endoskopischen Systems;
Fig. 6b eine weitere schematische Ansicht des Ausführungsbeispiels des endoskopischen Systems aus Figur 6a; und Fig. 7 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines endoskopischen Systems.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
In den Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen entweder gleiche Elemente oder Elemente mit gleichwertigen Funktionen. Elemente, die schon beschrieben wurden, werden nicht notwendigerweise in nachfolgenden Figuren noch einmal beschrieben.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Hybrid-Lichtleitfaser 1. Die Hybrid-Lichtleitfaser 1 umfasst eine Mehrzahl an Faserkernen 2. Diese Faserkerne 2 sind von einem gemeinsamen ersten Mantel 3 eingeschlossen. Dabei ist ein erster Brechungsindex nx der Faserkerne 2 größer als ein zweiter Brechungsindex n2 des ersten Mantels 3, so dass Licht, das in den Faserkernen 2 verläuft, an der Grenzfläche zwischen Faserkern 2 und erstem Mantel 3 Totalreflexion erfahren kann. Bei entsprechendem Eintrittswinkel des Lichts bzw. bei einer entsprechenden numerischen Apertur einer an die Hybrid-Lichtleitfaser 1 angeschlossenen optischen Anordnung können die Faserkerne 2 also als einzelne Lichtleitfasern angesprochen werden.
Den ersten Mantel 3 umschließend ist ferner ein zweiter Mantel 4 angeordnet. Dabei ist der zweite Brechungsindex n2 des ersten Mantels 3 größer als ein dritter Brechungsindex n3 des zweiten Mantels 4, so dass Licht, das im ersten Mantel 3 verläuft, an der Grenzfläche zwischen erstem Mantel 3 und zweitem Mantel 4 Totalreflexion erfahren kann. Bei entsprechendem Eintrittswinkel des Lichts bzw. bei einer entsprechenden numerischen Apertur einer an die Hybrid-Lichtleitfaser 1 angeschlossenen optischen Anordnung können also die Faserkerne 2 zusammen mit dem ersten Mantel 3 als Multimode-Lichtleitfaser fungieren, wobei das Licht an der Grenzfläche zwischen erstem Mantel 3 und zweitem Mantel 4 totalreflektiert wird.
Es sind also, je nach numerischer Apertur der an die Hybrid-Lichtleitfaser 1 angeschlossenen optischen Anordnung, zwei verschiedene Betriebsmoden der Hybrid-Lichtleitfaser 1 möglich: zum einen können die Faserkerne 2 zusammen mit dem ersten Mantel 3 als Multimode- Lichtleitfaser fungieren, wodurch eine besonders hohe Auflösung ermöglicht wird. Da aber die Ausbreitung der vielen Lichtmoden in der Multimode-Lichtleitfaser empfindlich gegenüber Verformungen und Biegungen der Lichtleitfaser ist, beschränkt sich dieser Betriebsmodus auf überwiegend unbewegliche Proben. Beim zweiten Betriebsmodus fungieren die einzelnen Faserkerne 2 als Lichtleitfasern, wobei jeweils nur eine oder einige wenige Lichtmoden angeregt werden. In diesem Betriebsmodus ist zwar die Auflösung auf den Abstand zwischen den einzelnen Faserkernen 2 beschränkt, es lassen sich jedoch auch Untersuchungen an bewegten Proben durchführen.
Als Beispiel sei hier die Untersuchung von Neuronen und der Vernetzung der Neuronen im Gehirn eines Tieres oder eines Menschen genannt. Zunächst wird die Hybrid-Lichtleitfaser 1 in das Gehirn des sedierten Tieres oder Menschen eingeführt. Im sedierten Zustand werden dann auch schon hochauflösende Aufnahmen mit der Hybrid-Lichtleitfaser 1 als Multimode- Lichtleitfaser gemacht. Diese Aufnahmen zeigen beispielsweise einzelne Neuronen und die Vernetzung zwischen diesen Neuronen. Im weiteren Verlauf der Untersuchung wird das Tier oder der Mensch in den wachen Zustand versetzt. Im wachen Zustand werden sodann Aufnahmen mit den einzelnen Faserkernen 2 als Lichtleitfasern gemacht, wobei hier beispielsweise zwar die einzelnen Neuronen beobachtet werden können, jedoch nicht mehr die Vernetzung zwischen den Neuronen. Da für beide Aufnahmen dieselbe Hybrid-Lichtleitfaser 1 verwendet wird und ihre Lage zwischen den Aufnahmen nicht geändert wird, ist es möglich, die mittels der einzelnen Faserkerne 2 beobachteten Neuronen den Neuronen aus dem hochaufgelösten Bild zuzuordnen.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hybrid- Lichtleitfaser 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Vielzahl an Faserkernen 2 in einer orthogonalen Punktgruppe angeordnet. Die Bildgebung in einem orthogonalen Koordinatensystem ist bei dieser Anordnung der Faserkerne 2 besonders einfach.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel einer Hybrid-
Lichtleitfaser 1. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Faserkerne 2 in einer hexagonalen Punktgruppe angeordnet. So lässt sich bei einem gegebenen Abstand zwischen benachbarten Faserkernen 2 eine größtmögliche Anzahl an Faserkernen 2 innerhalb des ersten Mantels 3 anordnen. Des Weiteren ist durch die Anordnung der Faserkerne 2 in der hexagonalen Punktgruppe eine besonders gute Stabilität der Hybrid-Lichtleitfaser 1 gegeben.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel einer Hybrid- Lichtleitfaser 1. In diesem Ausführungsbeispiel ist um den zweiten Mantel 4 eine den zweiten Mantel 4 umschließende Schutzbeschichtung 5 angeordnet. Diese Schutzbeschichtung 5 schützt die Hybrid-Lichtleitfaser 1 vor äußeren Einflüssen, beispielsweise vor chemischen oder vor physikalischen Einflüssen.
Figur 5 zeigt einen Ausschnitt eines Längsschnitts durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Hybrid-Lichtleitfaser 1. Diese Hybrid-Lichtleitfaser 1 besteht aus einem ersten Teil 1.1 und einem zweiten Teil 1.2. Zur Verbindung des ersten Teils 1.1 mit dem zweiten Teil 1.2 sind auf dem dem zweiten Teil 1.2 zugewandten Ende des ersten Teils 1.1 und dem dem ersten Teil 1.1 zugewandten Ende des zweiten Teils 1.2 keramische Endhülsen 6 aufgebracht. Ein Innendurchmesser der keramischen Endhülsen 6 entspricht dabei genau einem Außendurchmesser des zweiten Mantels 4. Eine Verbindung des ersten Teils 1.1 mit dem zweiten Teil 1.2 erfolgt dabei über eine Verbindungsmuffe 7, in die die beiden keramischen Endhülsen gesteckt werden. Eine derartige Verbindung ermöglicht es, den ersten Teil 1.1 der Hybrid-Lichtleitfaser 1 in einer Probe zu belassen während der zweite Teil 1.2 zusammen mit dem Rest des endoskopischen Systems von der Probe getrennt wird. Der erste Teil 1.1 beeinträchtigt die Probe dabei nicht oder nur sehr wenig. Für erneute Untersuchungen werden dann der erste Teil 1.1 und der zweite Teil 1.2 wieder miteinander verbunden.
Figur 6a zeigt eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines endoskopischen Systems 8. In eine Probe 9 ist eine Hybrid-Lichtleitfaser 1 eingeführt um Objekte 10 vor der Hybrid-Lichtleitfaser 1 zu untersuchen.
Das endoskopisches System 8 weist eine optische Anordnung 21 auf, die eine erste optische Teilanordnung 11 und eine zweite optische Teilanordnung 12 umfasst. Über ein mechanisches System, das hier nicht näher dargestellt ist, kann entweder die erste optische Teilanordnung 11 oder die zweite optische Teilanordnung 12 an die Hybrid-Lichtleitfaser 1 gekoppelt werden. In Figur 6a ist dabei die erste optische Teilanordnung 11 an die Hybrid-Lichtleitfaser 1 gekoppelt. Alternativ hierzu ist es möglich, den Wechsel zwischen der ersten optischen Teilanordnung 11 und der zweiten optischen Teilanordnung 12 über optische Elemente, beispielsweise einen verstellbaren Spiegel, vorzunehmen. Ferner ist es auch möglich, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt nur die erste optische Teilanordnung 11 oder die zweite optische Teilanordnung 12 mit der Hybrid-Lichtleitfaser 1 verbunden sind, während die jeweils andere optische Teilanordnung 12 bzw. 11 von der Hybrid-Lichtleitfaser 1 getrennt ist.
Die erste optische Teilanordnung 11 umfasst eine kohärente Lichtquelle 13 umfassend einen Laser 14 und einen Modifikator 15, der die vom Laser 14 ausgesandte Lichtwellenfront modifiziert. Über einen ersten Strahlteiler 16, der beispielsweise ein dichroitischer Strahlteiler ist, ist die kohärente Lichtquelle 13 optisch an die Hybrid-Lichtleitfaser 1 angebunden, wobei die Faserkerne 2 zusammen mit dem ersten Mantel 3 als Multimode-Lichtleitfaser fungieren. Bei einer Untersuchung der Probe 9 wird dabei das kohärente Licht des Lasers 14 mittels des Modifikators 15 derart modifiziert, dass jeweils nur ein Punkt des Objekts 10 beleuchtet wird. Die hierzu erforderliche Kenntnis der Lichttransmissionseigenschaften der Hybrid-Lichtleitfaser 1 werden dazu vor der Untersuchung gemessen und/oder berechnet. Die vom beleuchteten Punkt des Objekts 10 beispielsweise durch Reflexion, Fluoreszenz, Raman-Streuung, stimulierte Raman-Streuung, kohärente Anti-Stokes Raman-Streuung, Autofluoreszenz und/oder Frequenzverdopplung ausgesandte Lichtantwort wird von der Hybrid-Lichtleitfaser 1 aus der Probe 9 geleitet und gelangt über den ersten Strahlteiler 16 zu einem weiteren Fotodetektor 17 der ersten optischen Teilanordnung 11, wo es detektiert wird. Indem nacheinander eine Vielzahl an Punkten des Objekts 10 beleuchtet werden, kann ein hochauflösendes Bild erstellt werden.
Figur 6b zeigt nochmals das endoskopische System 8 aus Figur 6a, wobei mittels des mechanischen Systems die zweite optische Teilanordnung 12 an die Hybrid-Lichtleitfaser 1 gekoppelt wurde. Die zweite optische Teilanordnung 12 umfasst dabei eine weitere Lichtquelle 18, die Licht in die Faserkerne 2 und/oder den ersten Mantel 3 einbringt. Die weitere Lichtquelle 18 umfasst dabei beispielsweise ein Array aus LEDs, wobei jedem Faserkern 2 eine LED zugeordnet ist. Das Licht aus der weiteren Lichtquelle 18 beleuchtet, über einen zweiten Strahlteiler 19, der beispielsweise ein dichroitischer Strahlteiler ist, und die Hybrid-Lichtleitfaser 1 das Objekt 10. Eine vom Objekt 10 beispielsweise durch Reflexion, Fluoreszenz, Raman- Streuung, stimulierte Raman-Streuung, kohärente Anti-Stokes Raman-Streuung, Autofluoreszenz und/oder Frequenzverdopplung ausgesandte Lichtantwort gelangt dann über die Faserkerne 2 der Hybrid-Lichtleitfaser 1 und den zweiten Strahlteiler 19 zu einem Fotodetektor 20 der zweiten optischen Teilanordnung 12. Der Fotodetektor 20 umfasst dabei eine Mehrzahl an Pixeln zum Detektieren des aus den einzelnen Faserkernen 2 austretenden Lichts. Die Auflösung der Kombination der Hybrid-Lichtleitfaser 1 mit der zweiten optischen Anordnung 12 ist auf den Abstand zwischen den Faserkernen 2 beschränkt, es können hiermit aber auch Untersuchungen an einer bewegten Probe 9 durchgeführt werden.
Figur 7 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines endoskopischen Systems 8. Die optische Anordnung 21 diese endoskopischen Systems 8 umfasst lediglich eine kohärente Lichtquelle 13 und einen Fotodetektor 20. Die kohärente Lichtquelle 13 bringt dabei das Licht sowohl in einem ersten Betriebsmodus als auch in einem zweiten Betriebsmodus des endoskopischen Systems 8 in die Hybrid-Lichtleitfaser 1 ein. Im ersten Betriebsmodus werden dabei die Lichtmoden in der als Multimode-Lichtleitfaser fungierenden Hybrid-Lichtleitfaser 1 derart angeregt, dass nacheinander einzelne Objektpunkte in der Probe 9 beleuchtet werden. Im zweiten Betriebsmodus werden mittels der kohärenten Lichtquelle 13 Objekte in der Probe 9 beleuchtet. Ebenso wird vom Fotodetektor 20 sowohl im ersten als auch im zweiten Betriebsmodus die Lichtantwort der Objektpunkte bzw. Objekte detektiert. Dabei wird im ersten Betriebsmodus über alle Pixel des Fotodetektors 20 summiert, während im zweiten Betriebsmodus die Lichtantwort für jeden Faserkern 2 separat detektiert wird.

Claims

Ansprüche
1. Hybrid-Lichtleitfaser, umfassend eine Mehrzahl an Faserkernen (2), einen ersten Mantel (3), der die Mehrzahl an Faserkernen (2) einschließt, und einen zweiten Mantel (4), der den ersten Mantel (3) umschließt, wobei die Faserkerne (2) einen ersten Brechungsindex ni, der erste Mantel (3) einen zweiten Brechungsindex n2 und der zweite Mantel (4) einen dritten Brechungsindex n3 aufweisen, wobei ni größer als n2 und n2 größer als n3 ist.
2. Hybrid-Lichtleitfaser nach Anspruch 1, wobei die Faserkerne (2) in einem Querschnitt der Hybrid-Lichtleitfaser (1) in einer orthogonalen Punktgruppe oder in einer hexagonalen Punktgruppe angeordnet sind.
3. Hybrid-Lichtleitfaser nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Durchmesser der Faserkerne (2) zwischen 5 pm und 20 pm, insbesondere zwischen 8 pm und 13 pm, beträgt.
4. Hybrid-Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Abstand zwischen zwei benachbarten Faserkernen (2) zwischen 10 pm und 50 pm, insbesondere zwischen 20 pm und 30 pm, beträgt.
5. Hybrid-Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anzahl der Faserkerne (2) in der Hybrid-Lichtleitfaser (1) zwischen 30 und 100, insbesondere zwischen 50 und 70, beträgt.
6. Hybrid-Lichtleitfaser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend eine den zweiten Mantel (4) umschließende Schutzbeschichtung (5) und/oder äußere Hülle.
7. Endoskopisches System zum Untersuchen einer Probe (9) umfassend eine Hybrid-Lichtleitfaser (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, und eine optische Anordnung (21), umfassend eine kohärente Lichtquelle (13) zum Einbringen von Licht in ein proximales Ende der Hybrid-Lichtleitfaser (1), so dass die Faserkerne (2) der Hybrid-Lichtleitfaser (1) zusammen mit dem ersten Mantel (3) der
Hybrid-Lichtleitfaser (1) als Multimode-Lichtleitfaser fungieren, und einen Fotodetektor (20), umfassend eine Mehrzahl an Pixeln, zum Detektieren des aus den einzelnen Faserkernen (2) austretenden Lichts.
8. Endoskopisches System nach Anspruch 7, das ferner dazu ausgebildet ist, in einem ersten Betriebsmodus, bei dem mittels der kohärenten Lichtquelle (13) Lichtmoden in der als Multimode-Lichtleitfaser fungierenden Hybrid-Lichtleitfaser (1) derart angeregt werden, dass nacheinander einzelne Objektpunkte in der Probe (9) beleuchtet werden und die von den Objektpunkten ausgesandte Lichtantwort, insbesondere als Summe über alle Pixel, vom Fotodetektor (20) detektiert wird, und einem zweiten Betriebsmodus, bei dem mittels der kohärenten Lichtquelle (13) Objekte (10) in der Probe (9) beleuchtet werden und die von den Objekten (10) ausgesandte Lichtantwort für jeden Faserkern (2) separat vom Fotodetektor (20) detektiert wird, betrieben zu werden.
9. Endoskopisches System nach Anspruch 7 oder 8, wobei die optische Anordnung (21) eine weitere Lichtquelle (18) zum Einbringen von Licht in die Faserkerne (2) und/oder den ersten Mantel (3) umfasst, wobei die weitere Lichtquelle (18) vorzugsweise eine Mehrzahl an Teillichtquellen, insbesondere LEDs, aufweist und die Teillichtquellen vorzugsweise in einem Array angeordnet und den Faserkernen (2) der Hybrid-Lichtleitfaser (1) zugeordnet sind, wobei vorzugsweise im zweiten Betriebsmodus die Objekte (10) in der Probe (9) mittels der weiteren Lichtquelle (18) beleuchtet werden.
10. Endoskopisches System nach Anspruch 9, wobei die optische Anordnung (21) einen weiteren Fotodetektor (17) zum Detektieren des aus den Faserkernen (2) und dem ersten Mantel (3) austretenden Lichts umfasst und die kohärente Lichtquelle (13) sowie der weitere Fotodetektor (17) einer ersten optischen Teilanordnung (11) und die weitere Lichtquelle (18) sowie der Fotodetektor (20) einer zweiten optischen Teilanordnung (12) zugeordnet sind und vorzugsweise der erste Betriebsmodus mittels der ersten optischen Teilanordnung (11) und der zweite Betriebsmodus mittels der zweiten optischen Teilanordnung (12) durchgeführt wird.
11. Endoskopisches System nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Schaltungsvorrichtung zum Wechseln zwischen der ersten optischen Teilanordnung (11) und der zweiten optischen Teilanordnung (12).
12. Endoskopisches System nach Anspruch 10 oder 11, wobei die erste optische Teilanordnung (11) und/oder die zweite optische Teilanordnung (12) separat mit der Hybrid-Lichtleitfaser (1) verwendbar sind.
13. Endoskopisches System nach einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei die Hybrid-Lichtleitfaser (1) aus zumindest einem ersten Teil (1.1) und einem zweiten Teil (1.2) besteht, wobei der erste Teil (1.1) und der zweite Teil (1.2) über ein Verbindungselement (6, 7) trennbar miteinander verbunden sind.
14. Endoskopisches System nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die optische Anordnung (21) im ersten Betriebsmodus und/oder die erste optische Teilanordnung (11) eine erste numerische Apertur NAi und die optische Anordnung (21) im zweiten Betriebmodus und/oder die zweite optische Teilanordnung (12) eine zweite numerische Apertur NA2 aufweist und NAi größer als NA2 ist.
15. Verfahren zum Untersuchen einer Probe (9) mittels eines endoskopischen Systems (8) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei die Hybrid-Lichtleitfaser (1) des endoskopischen Systems (8) in die Probe (9) eingeführt ist, die Probe (9) zunächst unbeweglich ist, die optische Anordnung (21) und/oder die erste optische Teilanordnung (11) des endoskopischen Systems (8) an der Hybrid- Lichtleitfaser (1) angeschlossen ist, mittels der kohärenten Lichtquelle (13) Licht in die Faserkerne (2) und den ersten Mantel (3) der Hybrid-Lichtleitfaser (1) eingebracht wird, so
18 dass die Hybrid-Lichtleitfaser (1) als Multimode-Lichtleitfaser fungiert, durch die Hybrid- Lichtleitfaser (1) nacheinander eine Vielzahl an Objektpunkten in der Probe (9) beleuchtet werden und die von den Objektpunkten ausgesandte Lichtantwort durch die Hybrid- Lichtleitfaser (1) und mittels des Fotodetektors (20) oder weiteren Fotodetektors (17) detektiert wird, die Probe (9) sich sodann bewegt, die optische Anordnung (21) und/oder die zweite optische Teilanordnung (12) des endoskopischen Systems (8) an der Hybrid-Lichtleitfaser (1) angeschlossen ist, mittels der kohärenten Lichtquelle (13) oder der weiteren Lichtquelle (18) Licht in die Faserkerne (2) und/oder den ersten Mantel (3) eingebracht wird, Objekte (10) an distalen Enden der Faserkerne (2) beleuchtet werden und die von den Objekten (10) ausgesandte Lichtantwort durch die Faserkerne (2) zum Fotodetektor (20) geleitet und von den Pixeln des Fotodetektors (20) detektiert wird. Verfahren zum Untersuchen einer Probe (9) nach Anspruch 15, wobei Lichttransmissionseigenschaften der Hybrid-Lichtleitfaser (1) in der Verwendung als Multimode-Lichtleitfaser vor der Untersuchung der Probe (9) gemessen und/oder berechnet werden. Verfahren zum Untersuchen einer Probe (9) nach Anspruch 15 oder 16, wobei, wenn die zweite optische Teilanordnung (12) an die Hybrid-Lichtleitfaser (1) angeschlossen ist, die erste optische Teilanordnung (11) vollständig von der Hybrid-Lichtleitfaser (1) getrennt ist. Verfahren zum Untersuchen einer Probe (9) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei nach einer Untersuchung der Probe (9) die Hybrid-Lichtleitfaser (1) in einen ersten Teil (1.1), der in die Probe (9) eingeführt ist, und einen zweiten Teil (1.2) getrennt wird und der erste Teil (1.1) und der zweite Teil (1.2) zu einem späteren Zeitpunkt für eine weitere Untersuchung der Probe (9) wieder miteinander verbunden werden.
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