DE2620755A1

DE2620755A1 - Verfahren und vorrichtung zur endoskopischen interferometrie

Info

Publication number: DE2620755A1
Application number: DE19762620755
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Phys Dr Dreyer; Klaus Dipl Phys Dr Gruenewald; Alfons Dr Hofstetter; Helmut Dipl Ing Wurster
Original assignee: Richard Wolf GmbH; Dornier System GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH; Dornier System GmbH
Priority date: 1976-05-11
Filing date: 1976-05-11
Publication date: 1977-11-17
Also published as: DE2620755B2; DE2620755C3

Description

Verfahren und Vorrichtung zur endoskopischen Interferometrie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur r,rkennung von pathologis ehen Veränderungen in biologischem Gewebe.
Zweck der Erfindung ist es, die Früherkennung von Tumoren in Körperhöhlen und die praeoperative Lokalisierung von Verhärtungen zu ermöglichen. Für die Erfolgsquote bei der Heilung von Karzinomen ist deren Früherkennung sowie die Kenntnis der Ausdehnung des pathologischen Prozesses die wichtigste Voraussetzung. Die malignen Tumore beginnen meist im Gewebe zu wachsen, so daß sie selbst bei optischer Beobachtung nicht zu erkennen sind.
Seit Erfindung des Lasers stehen für optische Interferenzmessungen leistungsfähige Lichtquellen hoher Kohärenz zur Verfügung. Mit diesen Lichtquellen ist es möglich, Interferenzen auch räumlich ausgedehnter Wellenfelder zu beobachten und zu registrieren. Ein Verfahren zur praktischen i)urchführung solcher interferometrischer Untersuchungen ist die Holographie. Hierbei wird zu~ nächst eine holographische Aufnahme des Objekts gemacht, d.h. es wird das von der diffus reflektierenden Oberfläche des Objekts ausgehende Wellenfeld mit Hilfe einer Referenzwelle im Hologramm gespeichert. Ein weiteres Wellenfeld kann im gleichen Hologramm gespeichert werden, wenn noch eine zw eite Belichtung des Hologramms vorgenommen wird. Bei der Rekonstruktion des Hologramms interferieren die beiden Wellenfelder, da sie beide gleichzeitig rekonstruiert werden. Die Interferenzerscheinungen hängen dabei von den Verschiebungen zwischen den beiden Wellenfeldern ab: wurde das Objekt bei beiden Belichtungen in der gleichen Position belassen, so sind beide Wellenfelder identisch, es kommt zu keinen sichtbaren Interferenzen. Wurde aber die Oberfläche des Objekts vor der zweiten Belichtung geringfügig verschoben, so sind auch die beiden Wellenfelder gegeneinander verschoben, und es kommt zur Ausbildung von Interferenzstreifen. Die Form der Streifen wird dabei von der Geometrie der Objektoberfläche, der Verschiebung der Oberfläche und der Geometrie der optischen Anordnung bestimmt. Die Drehung einer ebenen Platte um eine Kante führt z. B. zu im wesentlichen parallelen, geraden Interferenzstreifen, deren Dichte von der Größe der Drehung abhängt.
Entsprechend der Wellenlänge des Lichtes von ca. 0, 5»m liegen die Verschiebungen, die zu mittleren Streifendichten führen, im Bereich eirigevum.
Das Verfahren der holographischen Interferometrie läßt sich zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung heranziehen, wenn interferometrisch eine Verformung aufgenommen wird, die durch eine thermische, mechanische oder akustische Belastung des Objekts hervorgerufen wird. Insbesondere lassen sich Druckgefäße untersuchen, indem ihr Innendruck geringfügig verändert wird. Einer regelmäßigen Verformung entspricht dabei auch ein regelmäßiges Interferenzmuster, während sich Fehlstellen im Behälter in lokal abweichenden Verformungen und damit in lokalen Störungen des Interferenzmusters bemerkbar machen.
Voraussetzung zur Aufnahme von holographischen Interferogrammen ist, daß das Objekt und alle optischen Komponenten während der Hologrammbelichtung ihre Position um nicht mehr als einen Bruchteil der Wellenlänge verändern.
Diese Bedingung kann dadurch erfüllt werden, daß alle Aufbauten auf einem massiven schwingungsgedämpften Tisch erschütterungsfrei aufgebaut werden.
Aus den Arbeiten von ~Khana und Tonndorf" sowie "Roseng' (Khana, S. M. Tympanic Membrane Vibrations in Tonndorf, J. Cats Studied by Time-Averaged Holography J. of the Acoust. Soc. Am. 51, 1904 (1972) Rosen, A. N. Fundus Holography Through a Wide-Apgle Contact Lens, Investigative Ophtalmology 12, 786 (1973) ist bekannt daß holographische Aufnahmen auch von Tieren aufgenommen werden können.
Hierbei werden kleine Objekte: Trommelfell von Katzen und die Retina eines Kaninchens, untersucht. Um die Stabilität für die holographische Aufnahme zu gewährleisten, wurden die Tiere in speziell angefertigten Halterungen in betäubtem Zustand befestigt. Bei der Katze wurde durch einen Luftröhreneinschnitt für eine Trennung der Atmungsbewegung vom Kopf gesorgt. Die holographischen Aufnahmen wurden mit kurzen Belichtungszeiten von 17 msec durchgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglichen, die holographische Interferometrie für die medizinische Diagnose, insbesondere zur Erkennung von pathologischen Veränderungen in biologischem Gewebe, zu verwenden. Es wird dabei erwartet, daß sich Unregelmäßigkeiten im Aufbau der Organwandung ähnlich auswirken, wie Fehlstellen in einem technischen Bauteil: solche Stellen werden auf dem Gesamtmuster durch lokale Linienverdichtungen oder geschlossene Interferenzringsysteme, bestehend aus einigen Ringen, hervorgehoben. Dabei ist zu erwarten, daß auch der natürliche Aufbau mit Gefäßen und Muskel- oder Sehnenansätzen zu ähnlichen Interferenz erscheinungen führt, diese sind aber auf Grund der Kenntnis des Organaufbaus und auch durch den unmittelbaren Vergleich mit dem normalen optischen Bild als solche zu erkennen. Schließlich führen natürliche Bewegungen, z. B. bei zwei nacheinander aufgenommenen Bildern, zu unterschiedlichen Mustern. Auf diesen sind lokale Störungen zu erkennen, die immer an der gleichen Stelle auftauchen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mittels eines an sich bekannten Doppelimpulslasers im Abstand von 100 bis 5006etc zwei Lichtimpulse von ca. 20 nsec Dauer erzeugt und unter Abzweigung eines Referenzstrahls mittels Lichtleiters und Endoskop in Körperhöhlen eingeleitet werden, und daß das vom Gewebe reflektierte Licht einer Hologrammplatte zugeführt und mit dem Referenzstrahl vereinigt wird, wobei sich auf Grund der in dem Zeitabstand der Pulse auftretenden Verformungen des Gewebes ein Interferenzbild auf der Hologrammplatte ergibt. Die Gewebeverformungen werden dabei entweder durch natürliche Bewegungen verursacht oder gezielt durch einen von außen aufgebrachten mechanischen Druck oder durch Änderungen des Innendrucks in dem betreffenden Organ hervorgerufen.
Die Aufnahme der Interferogramme von inneren Körperorganen erfolgt erfindungsgemäß so, daß das Licht des Lasers mit Hilfe eines flexiblen Lichtleiters zu einem Holographiegehäuse geleitet wird und hier mit Hilfe eines Prismas in einen Beleuchtungsstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt wird. Der Beleuchtungsstrahl wird durch ein Endoskop in das Körper innere geleitet und beleuchtet dort das Organ. Das vom Organ reflektierte Licht wird über die Endoskop-Optik wieder aus dem Körper geleitet. Die Endoskop-Optik bildet dabei das Organ außerhalb des Endoskops ab. In der Bildebene dieser Abbildung befindet sich eine Hologrammplatte, die gleichzeitig noch vom Referenzstrahl, der zur Anpassung an die unterschiedlichen optischen Weglängen über mehrere Spiegel geführt wird, beleuchtet wird.
Mit einem seitlich am Gehäuse angeordneten Okular und einem schwenkbaren Spiegel oder Teilerspiegel kann das Organ in konventioneller Weise beobachtet und fotographiert werden.
Die Rekonstruktion kann nach erfolgter Entwicklung der Hologrammplatte unmittelbar im Aufnahmegerät mit Hilfe eines Referenzstrahls, der in diesem Fall von einem Dauerstrichlaser erzeugt wird, oder unabhängig vom Aufnahmegerät in einem einfachen Rekonstruktionsaufbau erfolgen.
In beiden Fällen wird mit einer normalen Kamera oder einer Fernsehaufnahmekamera das Bild des Objekts durch die Hologrammplatte hindurch aufgenommen.
Die zur Auswertung bestimmten Interferogramme von lebendem, biologischen Gewebe zeigen sehr viele Interferenzstreifen, deren Deutung oft schwierig ist.
Vor allem bei muskulösem Gewebe (wie z. B. in der Blase) können unterschiedliche Muskelkontraktionen bei verschiedenen Aufnahmen unterschiedliehe Ergebnisse bringen. Zur Vereinfachung der Auswertung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß nach Erstellung der Interferogramme von Gewebeverhärtungen, kurzzeitig nach dem zweiten Laserimpuls automatisch mit einer auf das Okular des Endoskops aufgesetzten Kamera ein konventionelles Bild, vorzugsweise ein Farbdia, aufgenommen wird, wobei zur Belichtung dieses Films das Licht eines proximalen Blitzgenerators eingespiegelt wird. Zur Belichtung des Films kann auch ein dritter Laserimpuls Verwendung finden. Die Auswertung erfolgt nun mit Hilfe einer optischen ilberlagerung von Interferogramm und konventionellem Photo, wodurch die natürlichen Inhomogenitåten, die auf dem Photo sichtbar sind, von den bereits pathologischen Inhomogenitäten unterschieden werden können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden zur Vermeidung einer falschen Interpretation des Interferenzmusters herrührend von der Muskelkontraktion und somit zur Sicherstellung einer richtigen Diagnose mehrere Aufnahmen vom selben Objekt zu verschiedenen Zeitengemacht und gemäß dem beschriebenen trberlagerungsverfahren ausgewertet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, die nachfolgend beschrieben sind.
Es zeigen: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Fig. 2 und 3 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung zur Auswertung der Interferogramme.
Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Endoholoskop). Das Licht, das ein Riesenimpulslaser 2 aussendet, gelangt über einen flexiblen Fiberlichtleiter 4 in ein Kameragehäuse 6. Das Kameragehäuse 6 steht in Verbindung mit einem Endoskop 10. Im Inneren des Gehäuses 6 wird von einem Prisma 12 ein Teilstrahl 14 des Laserstrahls 16 auf den Lichtleiter 8 gelenkt und gelangt so zur Ausleuchtung eines Organs 18 in das Körperinnere. Mit der Endokop-Optik wird in der Ebene ZB im Gehäuse 6 ein reelles Zwischenbild erzeugt. Zur holographischen Aufnahme wird vom Prisma 12 ein Teil 22 des Laserstrahls 16 reflektiert und mit einer Linse 24 aufgeweitet. Der aufgeweitete Laserstrahl 26 gelangt über Spiegel 28, 30 zur Hologrammplatte 32, wo er mit dem vom Lichtleiter 8 kommenden Strahl 34 ein Interferenzmuster bildet.
Fig. 2 und 3 zeigen die Auswertung der Interferenzmuster, wobei zusätzlich zum Interferogramm 32 etn Diapositiv 36 vorhanden ist, das zur Dokumentation mit einer am Okular des Endoskops angeschlossenen Kamera (nicht gezeigt) erstellt wurde. Durch Überlagerung der Strahlengänge 38 und 40 im Prisma 42 sind nun die Bilder mit Hilfe einer Mattscheibe 44 oder aber über eine Linse 46 betrachtbar. Das Diapositiv 36 ermöglicht es, Interferenzstreifenmuster, die von sichtbaren Gewebeinhomogenitäten herrühren, zu erkennen und als nicht pathologisch auszuschließen.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Erkennung von pathologischen Veränderungen In biologischem Gewebe, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Doppelimpulslasers im Abstand von 100 bis 500/sec zwei Lichtimpulse von ca. 20 nsec Dauer erzeugt und unter Rbzweigung eines Referenzstrahls mittels Lichtleiters und Endoskop in Körperhöhlen eingeleitet werden und daß das vom Gewebe reflektierte Licht einer Ilologrammpiatte zugeführt wird und mit dem Referenzstrahl vereinigt wird, wobei sich aufgrund der durch den Zeitabstand der Pulse ergebenden Veränderungen des Gewebes ein Interferenzbild auf der Hologrammplatte ergibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen des Gewebes zwischen den beiden Pulsen durch Zug, Druck, akustische oder thermische Belastung des Gewebes erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Doppelimpulslaser, der mittels eines Lichtleiters einen Strahl in ein Hologrammgehäuse sendet, ein Prisma, das einen Teilstrahl als Referenzstrahl abzweigt und den anderen Teilstrahl zu einem Lichtleiter mit an seiner Spitze befindlicher Gndoskop-Optik führt und durch eine im Gehäuse befindliche Hologrammplatte, auf die ein zurückkehrender Strahl von der Endoskop-Optik fällt und mit dem Referenzstrahl, der über Spiegel geleitet wird, vereinigt wird.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet, durch eine Gelenkoptik als Verbindung zwischen Endoskop und Impulslaser.
5. Vorrichtung nach Ansprüchen 3 bis 4, gekennzeichnet durch eine zweite Endoskop-Optik zur Führung des Beleuchtungsstrahles.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 3 bis a, gekennzeichnet durch zusätzlichen pin-hole zur Erzeugung einer streng punktförmigen Referenz lichtquelle hinter der Aufweitungslinse.
1. Vorrichtung nach Ansprüchen 3 bis 6, gekennzeichnet durch ein System von zusätzlichen Spiegeln im Strahlengang (22) zwischen Prisma (12) und Linse (24) zur Anpassung der optischen Weglänge von Objekt und Referenzstrahl.
8. Verfahren zur vereinfachten Auswertung der Interferogramme nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß kurzzeitig nach dem zweiten Laserimpuls automatisch mit einer auf das Okular des Endoskops aufgesetzten Kamera ein konventionelles Bild, vorzugsweise ein Farbdia, aufgenommen wird, wobei zur Belichtung des Films das Lieht eines proximalen Blitzgenerators eingespiegelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Belichtung des Films ein dritter Laserimpuls verwendet wird.
10. Verfahren nach Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur einfacheren Auswertung des Interferenzmusters des Gewebes eine optische Überlagerung von Interferogramm und konventionellem Photo durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der falschen Interpretation des Interferenzmusters herrührend von der Muskelkontraktion und somit zur Sicherstellung einer richtigen Diagnose mehrere Aufnahmen vom selben Objekt zu verschiedenen Zeiten gemacht und ausgewertet werden.