DE102013008278B4

DE102013008278B4 - Verfahren und Vorrichtung zur 3 D-Vermessung der Hautoberfläche und oberflächennaher Hautschichten

Info

Publication number: DE102013008278B4
Application number: DE102013008278.1A
Authority: DE
Inventors: Mark Weber; Jürgen Valentin; Marcus Grigat
Original assignee: NanoFocus AG
Current assignee: NanoFocus AG
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2033-05-16
Also published as: US20160081553A1; US9687154B2; DE102013008278A1; WO2014183860A1; EP2996548A1

Abstract

Verfahren zur 3D-Vermessung der Hautoberfläche und oberflächennaher Hautschichten mittels eines in einem Handgerät angeordneten, konfokalen Sensors mit integrierter Farbkamera mit Weißlicht-Strahlungsquelle, wobei das Handgerät mit einem Sensorkopf von der Bedienperson an die zu untersuchende Stelle der Haut herangefahren wird und ein Farbbild der Hautoberfläche aufgenommen wird, wonach der Sensor automatisch auf Konfokalbetrieb umgeschaltet wird, in welchem mit Licht im Wellenlängenbereich zwischen 800 bis 950 nm mittels einer CCD-Kamera innerhalb weniger Sekunden ein Bildstapel aufgenommen wird, er aus 200 bis 1000 Bildern besteht und ins Hautinnere hineinreicht, wobei während der Bildaufnahme mittels eines im Sensor befindlichen Scanners der ins Hautinnere reichende Messbereich mit konstanter Geschwindigkeit durchfahren wird und der Bildstapel somit aus äquidistanten Einzelbildern besteht, darüber hinaus zur Generierung eines Live-Tiefenbildes gezielt konfokal auf eine bestimmte Hauttiefe fokussiert und eine kontinuierliche Reihe von Bildern aufgenommen wird, wobei nach der Messdatenaufnahme eine Auswertung derart erfolgt, dass ein 3D- Bild der Topographie der Haut erstellt wird, des Weiteren aus dem aufgenommenen Bildstapel Schnittbilder der Haut und des Hautvolumens bis in mehrere Millimeter Tiefe errechnet und die so generierten Bilder auf einem Monitor angezeigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur 3D-Vermessung der Hautoberfläche und oberflächennaher Hautschichten mittels eines in einem Handgerät angeordneten konfokalen Sensors mit integrierter Farbkamera.
Bekannt ist es, dass die Konfokaltechnik eingesetzt wird, um im industriellen Bereich die Topographie der Oberfläche von Materialien zu messen. Aus dem biologischen Bereich ist die Konfokalmikroskopie ebenfalls bekannt, nämlich für die Aufnahme von Schnittbildern von bestimmten Oberflächen, die aufgrund der hohen Tiefendiskriminierung der angewandten Technik, meistens mit Fluoreszenzmarkern, durchgeführt wird. Darüber hinaus ist bekannt, dass mit infrarotem Licht in die Hautstruktur hineingeleuchtet werden kann und innerhalb dieser mikroskopisch beobachtet werden kann.
Darüber hinaus sind in der Medizin tomographische Verfahren sowie Punktierungsverfahren bekannt, um im tieferen Bereich der Haut Untersuchungen durchführen zu können.
Tomographische Verfahren sind aufwendig und kostspielig. Die Punktierungsmethode, beispielsweise zur Diagnose von Hautkrebs hat den Nachteil, dass Karzinome geöffnet werden müssen und somit ein erhöhtes Risiko der weiteren Ausbreitung durch Streuung entsteht.
Aus der US 2010/0214562 A1 ist eine Vorrichtung zur konfokalen Bildgebung an lebenden Objekten bekannt. Die Vorrichtung umfasst integrierte konfokale Reflexionsbildgebung, konfokale Raman-Spektroskopie und grobe räumliche Bildgebung.
Die DE 10 2011 082 759 A1 beschreibt ein Verfahren zur individualisierten Hautbehandlung, bei dem im Rahmen einer in-vivo-Analyse die räumliche Ausdehnung (Größe) von Zellen aus dem Stratum granulosum der Epidermins gemessen wird, der Ist-Wert der Größe mit vorgegebenen Sollwerten verglichen wird und die Haut des Individuums mit kosmetischen Mitteln behandelt wird, die die räumliche Ausdehnung (Größe) von Zellen aus dem Stratum granulosum beeinflussen. Das Messverfahren basiert auf konfokaler Laserscan-Mikroskopie.
Aus der DE 10 2008 039 643 A1 ist ein Verfahren zur Personenidentifizierung mit einer Tiefenmessung an der Haut bekannt, bei dem ein Untersuchungspunkt der Haut einer Person mit einem elektromagnetischen Messstrahl beaufschlagt wird und in intrakutane und/oder subkutane Geweberegionen eingedrungene, dort an inneren Strukturen reflektierte und/oder gestreute, und danach aus der Haut wieder austretende elektromagnetische Strahlung mit einem interferometrischen Sensor erfasst wird, und wobei die erfassten Signale zur Bestimmung mindestens eines biometrischen Merkmals, anhand dessen eine Personenidentifizierung erfolgt, genutzt werden.
Die EP 1 607 041 A2 beschreibt eine Methode und eine Vorrichtung zur intraoralen Messung von Oberflächentopologien, z.B. der Zähne. Die Vorrichtung kann nach Art eine konfokalen Laser-Mikroskops ausgestaltet sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem einzigen Gerät ein Verfahren ausführen zu können, mit dessen Hilfe sowohl die Hautoberfläche in vivo dreidimensional vermessen als auch in vivo die Struktur der Haut einige Millimeter tief bestimmt werden kann.
Gemäß der Merkmalskombination des Anspruchs 1 wird diese Aufgabe durch einen im Handgerät angeordneten, konfokalen Sensor mit integrierter Farbkamera mit Weißlicht-Strahlungsquelle, wobei das Handgerät mit einem Sensorkopf von der Bedienperson an die zu untersuchende Stelle der Haut herangefahren wird und ein Farbbild der Hautoberfläche aufgenommen wird, wonach der Sensor automatisch auf Konfokalbetrieb umgeschaltet wird, in welchem mit Licht im Wellenlängenbereich zwischen 800 bis 950 nm mittels einer CCD-Kamera innerhalb weniger Sekunden ein Bildstapel aufgenommen wird, er aus 200 bis 1000 Bildern besteht und ins Hautinnere hineinreicht, wobei während der Bildaufnahme mittels eines im Sensor befindlichen Scanners der ins Hautinnere reichende Messbereich mit konstanter Geschwindigkeit durchfahren wird und der Bildstapel somit aus äquidistanten Einzelbildern besteht, darüber hinaus zur Generierung eines Live-Tiefenbildes gezielt konfokal auf eine bestimmte Hauttiefe fokussiert und eine kontinuierliche Reihe von Bildern aufgenommen wird, wobei nach der Messdatenaufnahme eine Auswertung derart erfolgt, dass ein 3D- Bild der Topographie der Haut erstellt wird, des Weiteren aus dem aufgenommenen Bildstapel Schnittbilder der Haut und des Hautvolumens bis in mehrere Millimeter Tiefe errechnet und die so generierten Bilder auf einem Monitor angezeigt werden..
Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gelöst, die aus einem in einem tragbaren Gehäuse angeordneten konfokalen Sensor mit einer monochromatischen Strahlungsquelle sowie einer Farbübersichtskamera mit einer Weißlicht-Strahlungsquelle besteht, wobei die Kamera mittels eines Strahlteilers in den Messweg zuschaltbar ist und sowohl Kamera als auch Konfokalsensor mit einer Signalauswerteeinheit und diese mit einem externen Monitor verbunden ist.
Es handelt sich somit um einen in der Hand zu haltenden Messkopf, der auf die Hautoberfläche aufgesetzt wird und dort innerhalb weniger Sekunden eine vollständige Charakterisierung durchführen kann, nämlich:

- Aufnahme eines Farbbildes
- Messung der 3 D-Struktur der Hautoberfläche
- 3D-Aufnahme (Kontrastbild) der inneren Hautstruktur.

Mittels der im Sensor integrierten Farbübersichtskamera und des angeschlossenen Monitors wird zunächst durch ein mehrere Millimeter großes Messfeld die betreffende Hautstelle aufgesucht. Vereinfacht wird dies durch die sehr kompakten Abmessungen des Sensorkopfs, dessen Dimension die Messfeldgröße nicht wesentlich übersteigt. Hierdurch wird zunächst mit Hilfe der visuellen Beobachtung der Sensorkopf an die gewünschte Stelle herangeführt und dann mittels dem Life-Farb-Monitorbild der untersuchende Bereich angefahren. Da das Bild vom Sensorkopf aus bis einige Millimeter (etwa 5 mm) Entfernung scharf ist, kann auf die Haut aufgesetzt oder in geringem Abstand darüber hinweg bewegt werden.
Ist der betreffende Bereich gefunden, so wird der Sensor innerhalb weniger Millisekunden auf den konfokalen Betrieb umgeschaltet, der innerhalb weniger Sekunden einen aus vielen hundert Konfokalbildern (typisch sind 200 bis 1000 Bilder) bestehenden Bildstapel aufnimmt. Während der Bildaufnahme sorgt ein im Sensor befindlicher Scanner dafür, dass der gesamte axiale Messbereich mit konstanter Geschwindigkeit durchfahren wird. Der aufgenommene Bildstapel besteht somit aus äquidistanten Einzelbildern.
Nach der Messdatenaufnahme erfolgt dreierlei Auswertung:

1. Die Position des obersten (dem Sensorkopf am nächsten liegenden) Reflexes wird ausgewertet. Hieraus ergibt sich die 3 D-Topographie.
2. Es werden wie bei der Computertomographie Schnittbilder durch die Hautstruktur gelegt. Diese können hinsichtlich Struktur und Konstrast analysiert werden.
3. Das zuvor aufgenommene Farbbild wird als Overlay der 3D-Topographie dargestellt. So können auffällige Pigmentierungen mit der vorliegenden 3D-Topographie mikroskopisch überlagert werden.

Durch mehrmalige Aufnahme kann das Messfeld automatisch erweitert werden (siehe Anspruch 2). Nach Abschluss der Stapelaufnahme folgt dann ein z. B. akustisches Signal, welches der Bedienperson signalisiert, dass eine neue seitlich versetzte Stapelaufnahme gefahren werden kann. Die verschiedenen Aufnahmen können dann -ähnlich wie beim Stitching- zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
Gemäß Anspruch 5 ist vorgesehen, dass der Konfokalsensor einen Matrixsensor in CMOS- oder CCD-Technik aufweist, ebenso die Farbübersichtskamera.
Zum „Blick“ ins Innere der Haut verfügt der Konfokalsender über eine monochromatische Strahlungsquelle, in diesem Fall eine Infrarot-Strahlungsquelle, die im Bereich zwischen 800 und 950 nm strahlt, wobei als Messwellenlänge gemäß Anspruch 7 875 nm oder auch 940 nm gewählt wird.
Wie allgemein üblich verfügt der Konfokalsensor als Konfokalfilter über eine Pinholemaske oder ein Mikrolinsenarray.
Angewendet werden kann das erfindungsgemäße Gerät in der Krebsdiagnostik zur Früherkennung, Beobachtung und zur Diagnose von Veränderungen. Darüber hinaus können kosmetische Effekte beobachtet werden, wie z. B. die Eindringtiefe kosmetischer Präparate sowie der Tiefeneffekt der Behandlung. Auch Dicke und Struktur bei Brandverletzungen oder bei Hauttransplantationen können ermittelt werden, wobei die Untersuchtungsergebnisse dank der erfindungsgemäßen Technik mittels eines einzigen Gerätes innerhalb von wenigen Sekunden erhalten werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 und 2 dargestellt und erläutert: Es zeigen:

1 schematisch den optischen Aufbau des erfindungsgemäßen Gerätes;
2 Ablaufdiagramm der Messung

In der 1 ist schematisch der optische Aufbau des erfindungsgemäßen Gerätes dargestellt. Es besteht im Wesentlichen aus den Gruppen A und B, wobei in der Gruppe A der konfokale Messaufbau und in der Gruppe B eine digitale Farbkamera dargestellt ist.
Mit dem Bezugszeichen 1 ist die Objektebene (in diesem Fall die Hautoberfläche) bezeichnet. Im Gerät selber ist mit dem Bezugszeichen 2 eine Fokussierlinse bezeichnet, die das von der mit Fokussierung versehenen Strahlungsquelle 13 ausgesendete monochromatische Licht (infrarot) sowie das von der ebenfalls mit Fokussierung versehenen Lichtquelle 12 stammende Licht auf die Objektebene 1 fokussiert. Das von der Objektebene reflektierte Licht wird über eine weitere Fokussierlinse 4 und dem in der Zwischenbildebene angeordneten Konfokalfilter 5 (beispielsweis Pinholemaske oder Mikrolinsenarray) durch die Fokussieroptik 7 auf einem CCD-Matrixsensor 8 abgebildet, bzw. über den Strahlteiler 3 und die Fokussieroptik 10 auf den Matrixsensor 11 (Kamera).
Die monochromatische Lichtquelle 13 wird über einen Strahlteiler 6 in den optischen Weg des Sensors eingeblendet.
In der Gruppe B ist zwischen der Farbkamera 11 und einem Strahlteiler 9 die Fokussieroptik 10 angeordnet. Über den Strahlteiler 9 wird das Licht der Weißlicht-Strahlungsquelle 12 in den optischen Weg des Konfokalsensors A eingelenkt, wo es mittels des halbdurchlässigen Spiegels 3 (Strahlteiler) auf die Objektebene 1 gerichtet wird.
In der 2 ist der zeitliche Ablauf einer Messung dargestellt. Wobei hier mit der Mode 100 angedeutet wird, dass eine Aufnahme eines Life-Farbbildstreams der Oberfläche 1 mittels der Farbkamera (Gruppe B) erfolgt, wobei die Dauer dieser Aufnahme anwendergesteuert ist (Übersichtsbild).
Hierbei ist der Fokus auf die Objektebene 1 eingestellt.
In der Mode 200 ist von der Kameramode auf die Konfokalmode umgeschaltet worden. Es erfolgt eine schnelle Konfokalmessung mit Tiefenscann (angedeutet durch den schrägen Verlauf).
Im weiteren Verlauf (Mode 100) kann erneut ein Life-Farbbild dargestellt werden, während in der Mode 300 schließlich konfokal auf eine bestimmte Tiefe fokussiert wird und ein Stream von Bildern aufgenommen wird.
Hieraus ergibt sich während des Messverfahrens zunächst ein Übersichtsbild der Hautoberfläche, wonach dann durch die konfokale Messung die 3D-Topographie der Hautoberfläche bis in mehrere Millimeter Tiefe erfolgt.
Durch die Verwendung einer Infrarotlichtquelle kann während der konfokalen Messung ins Innere der Haut geschaut werden, wobei wie oben angegeben jeweils durch axiales Scannen mit konstanter Geschwindigkeit ein Stapel äquidistanter Bilder erzeugt wird. In der nicht dargestellten Auswerteeinheit werden die gemessenen Daten in Schichtbilder der Haut (auch volumenmäßig) berechnet und auf einem ebenfalls nicht dargestellten (externen) Monitor angezeigt.
Mit der Messung in Mode 300 kann z. B. in bestimmter Tiefe die Blutzirkulation („life“) dargestellt werden.

Claims

Verfahren zur 3D-Vermessung der Hautoberfläche und oberflächennaher Hautschichten mittels eines in einem Handgerät angeordneten, konfokalen Sensors mit integrierter Farbkamera mit Weißlicht-Strahlungsquelle, wobei das Handgerät mit einem Sensorkopf von der Bedienperson an die zu untersuchende Stelle der Haut herangefahren wird und ein Farbbild der Hautoberfläche aufgenommen wird, wonach der Sensor automatisch auf Konfokalbetrieb umgeschaltet wird, in welchem mit Licht im Wellenlängenbereich zwischen 800 bis 950 nm mittels einer CCD-Kamera innerhalb weniger Sekunden ein Bildstapel aufgenommen wird, er aus 200 bis 1000 Bildern besteht und ins Hautinnere hineinreicht, wobei während der Bildaufnahme mittels eines im Sensor befindlichen Scanners der ins Hautinnere reichende Messbereich mit konstanter Geschwindigkeit durchfahren wird und der Bildstapel somit aus äquidistanten Einzelbildern besteht, darüber hinaus zur Generierung eines Live-Tiefenbildes gezielt konfokal auf eine bestimmte Hauttiefe fokussiert und eine kontinuierliche Reihe von Bildern aufgenommen wird, wobei nach der Messdatenaufnahme eine Auswertung derart erfolgt, dass ein 3D- Bild der Topographie der Haut erstellt wird, des Weiteren aus dem aufgenommenen Bildstapel Schnittbilder der Haut und des Hautvolumens bis in mehrere Millimeter Tiefe errechnet und die so generierten Bilder auf einem Monitor angezeigt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch wiederholte Aufnahme das Messfeld erweitert und die einzelnen Aufnahmestapel zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss einer Stapelaufnahme ein Signal für die Bedienperson zur Aufnahme des nächsten Bildstapels erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus einem in einem tragbaren Gehäuse angeordneten konfokalen Sensor (A) mit einer monochromatischen Strahlungsquelle (13) sowie einer Farbübersichtskamera (B) mit einer Weißlicht-Strahlungsquelle (12), wobei die Kamera mittels eines Strahlteilers (3) in den Messweg zuschaltbar ist und sowohl Kamera (B) als auch Konfokalsensor (A) mit einer Signalauswerteeinheit und diese mit einem externen Monitor verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Konfokalsensor (A) einen CCD- oder CMOS-Matrix-Sensor (8) und auch die Farbübersichtskamera (B) einen Matrix- Sensor (11) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (13) des Konfokalsensors (A) eine im Bereich zwischen 800 und 950 nm emittierende Infrarotquelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Strahlungsquelle (13) des Konfokalsensors (A) bei 875 nm oder 940 nm liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Konfokalsensor (A) als Konfokalfilter (5) eine Pinhole-Maske oder ein Mikrolinsenarray aufweist.