DE3718202C1 - Anordnung zur Messung eines Zustandswertes fuer organische Gewebeflaechen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung eines Zustandswertes für organische Gewebeflächen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Anordnung ist im Hauptpatent 35 42 167 be­ schrieben. Das Hauptpatent ist auf die Messung der Augen­ Linsen-Trübung gerichtet und erfordert eine ortsfeste Aus­ richtung zwischen der eigentlichen Meßeinrichtung und dem Meßobjekt, nämlich der Augen-Linse. Sie ist für Messungen in­ vivo und in-situ anwendbar. Durch die Fixierung zwischen Meßobjekt und Meßeinrichtung und die ausschließliche Auswertung des Fluoreszenzlichtes ist der Anwendungsbereich und die Aus­ sagekraft der Anordnung erheblich eingeschränkt.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, die Anordnung so zu verändern, daß ihr Anwendungsbereich erweitert wird. Die Erweiterung sollte sowohl die Beschränkung auf ein ganz bestimmtes Meßobjekt aufheben, als auch durch eine ergänzte Meßsignalgewinnung und Verknüpfung der Meßsignale die Vergleichbarkeit der Meßergebnisse erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 11.

Genauere Untersuchungen mit der im Hauptpatent 35 42 167 be­ schriebenen Anordnung haben ergeben, daß die Messung des Fluoreszenzspektrums nicht nur an der Augen-Linse, sondern auch an anderen organischen Gewebeflächen, insbesondere Hautflächen und anderen Zellverbänden, wie z. B. Blutzellen, signifikante Aussagen erlaubt. Die Anregungswellenlänge konnte dabei auf den Bereich zwischen 320 nm und 550 nm ausgedehnt werden.

Als weitere Erkenntnis kam hinzu, daß auch die Intensität des bei der Anregungswellenlänge gemessenen Reflexionslichtes mit dem Verhalten der untersuchten Gewebeflächen in Bezug auf das emittierte Fluoreszenzspektrum im Zusammenhang steht. Durch Einbeziehung dieses Wertes in die Auswertung kann die Meßsicherheit erhöht werden.

Die entscheidende Erweiterung der Anwendbarkeit auf andere Meßobjekte hat sich durch die Auftrennung der gesamten Meßanordnung in einen Meßkopf und eine Lagerung für die Meßobjekte ergeben, wobei beide Teile definiert zueinander verschiebbar anzuordnen sind. Zur Erleichterung der Justierung des Meßkopfes in Bezug auf die zu untersuchende Objektstelle ist es vorteilhaft, die Lage des Meßspaltes mit einer Video- Kamera aufzunehmen und auf einem Monitor darzustellen.

Die definierte Verschiebbarkeit der beiden Anordnungsteile zueinander soll in drei Dimensionen möglich sein. Ausgehend von einer ersten Meßposition kann die erfindungsgemäß vorgesehene Meßeinrichtung dann sowohl den Abstand zwischen unterschied­ lichen Meßpositionen auf der Gewebefläche als auch eine Ver­ änderung des Abstandes zwischen Meßkopf und Gewebefläche an­ geben. Die Relativverschiebung kann manuell erfolgen, sie wird vorteilhafterweise aber motorisch gesteuert, wodurch ein auto­ matischer Meßablauf mit Gewinnung mehrerer Vergleichswerte für eine Gewebefläche ermöglicht wird.

Durch die Berücksichtigung von bestimmten Referenzwerten lassen sich die aktuellen Meßwerte normieren, womit die Vergleichbar­ keit der Meßwerte untereinander vereinfacht wird. Die Referenz­ werte können sich im einfachsten Fall auf eine einzige An­ regungswellenlänge und sowohl die Fluoreszenzintensität des nächstgelegenen Maximums als auch die Intensität des Reflexionslichtes beziehen. Eine umfassende Messung be­ rücksichtigt dagegen auch unterschiedliche Anregungswellen­ längen und evtl. auftretende mehrere Fluoreszenzmaxima.

Die Normwerte können aus allgemeinen Messungen an verschiedenen gleichartigen Gewebeproben gewonnen werden und in den Speicher zur weiteren Verarbeitung eingegeben werden. Sie können jedoch auch individuell an einer zu untersuchenden Gewebeprobe ermittelt werden. Dies geschieht zweckmäßigerweise in der Startposition einer Folge von Messungen.

Die Erfindung besteht in der Erweiterung des Anwendungsbe­ reiches der im Hauptpatent vorgeschlagenen Anordnung und zwar zur Ermittlung der lokalen Eigenfluoreszenz von organischen Gewebeflächen und des von ihnen reflektierten Lichtes, wobei durch Ermittlung der relativen lokalen Eigenfluoreszenzwerte und der Intensitäten des Reflexionslichtes in Abhängigkeit von den bereits genannten Meßparametern die Verwendung der An­ ordnung an Bedeutung gewinnt. Bei dieser Verwendung der An­ ordnung könne auch relative lokale Eigenfluoreszenzwerte und Reflexionslichtwerte gewonnen werden, wenn die lokal gemessenen Werte in Beziehung zu einem empirisch ermittelten Normalwert gesetzt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung und schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigt die Zeichnung in

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Meßanordnung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel mit verstellbarem Meßkopf;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für große Objektflächen;

Fig. 4 Meßkurven für das Reflexions- und das Fluoreszenzspektrum bei einer Anregungswellenlänge λ _A in zwei unterschiedlichen Meßpositionen und

Fig. 5 eine Darstellung der Intensitätswerte I _F von λ _{max 1} und λ _{max 2} bei demselben g _A in Abhängigkeit vom Meßort X.

Das Blockschaltbild in Fig. 1 soll das Zusammenwirken der einzelnen Funktionselemente der Meßanordnung verdeutlichen. Die von einer Lichtquelle (10) erzeugte Strahlung wird durch einen Monochromator (11) auf einen sehr eng begrenzten Spektralbereich λ _A eingeengt. Als Monochromator können verschiedene auswechselbar angeordnete Schmalbandfilter dienen oder auch dispersive Elemente verwendet werden. Dabei ist es auch möglich, als Lichtquelle (10) einen Linienstrahler oder einen Kontinuumstrahler zu verwenden.

Die Verbindung zum Spaltprojektor (12) wird zweckmäßigerweise durch einen flexiblen Lichtleiter (13) hergestellt, so daß die Lichtquelle und der Monochromator separat ortsfest aufgestellt werden können.

Dem Spaltprojektor (12) ist in derselben Baueinheit eine Detektoreinheit (14) zugeordnet. Ihre Signale werden gegebenenfalls nach einer Vorverstärkung über eine flexible Leitung (15) einem Analysator (16) zugeleitet. Als Detektor kann z. B. eine Diodenzeile mit vorgeschaltetem Dispersionsprisma dienen. Es ist jedoch auch möglich, als Detektor zunächst die Lichteintrittsfläche eines Lichtleiters zu verwenden, so daß dieser die flexible Verbindung zum Analysator (16) bildet. Als Analysator hat sich dabei ein Vielkanalanalysator bewährt. Dieser kann dann ebenso wie die nachfolgende Auswerteeinrichtung (17) und die Meßwertanzeige (18) ortsfest angeordnet werden.

Zur Justierung des Spaltbildes auf das Meßobjekt ist im Meßstrahlengang ein Strahlenteilerelement (19) vorgesehen, das eine Abbildung des Objektfeldes auf der Empfangsfläche einer Videokamera erzeugt. Hierzu ist eine übliche CCD-Anordnung geeignet, die dem Strahlenteiler (19) räumlich zugeordnet ist. Die Bildinformationen können dann wiederum über eine flexible Leitung (20) der Kamera (21), einem Bildverstärker (22) und einem Monitor (23) zugeführt werden. Auf diese Weise ist es möglich, den Meßkopf (24) mit dem Spaltprojektor (12), dem Detektor (14) und dem Strahlenteiler (19) sehr kompakt und leicht auszuführen, wodurch seine Lagerung für die Relativverschiebung wesentlich vereinfacht wird. Wenn Gewichtsprobleme und die räumlichen Abmessungen des Meßkopfes keine Rolle spielen, können selbstverständlich beliebig viele der bisher genannten Funktionselemente in den Meßkopf integriert werden.

Zur Lagerung des Meßobjektes dient ein Objekttisch (25). Dieser kann feststehend sein, so daß lediglich der Meßkopf (24) verschoben wird. Er kann aber auch zusätzlich verschiebbar sein, wobei dann beispielsweise über den Objekttisch (25) eine Grobpositionierung der Meßanordnung und über die Verschiebung des Meßkopfes (24) die Feinpositionierung erfolgen kann. Die Meßeinrichtung (26) steuert dabei die verschiedenen Relativbewegungen, mißt die Verschiebewege und koordiniert den Meßsignalabruf.

In Fig. 2 ist der Meßkopf (24) an einem allseitig verstellbaren Gestänge (27) befestigt. Innerhalb des Meßkopfes ist die monochromatische Lichtquelle z. B. als Austrittsfläche (28) des Lichtleiters (13) dargestellt. Die beleuchtet einen Spalt (29), der durch eine Projektionsoptik (30) abgebildet wird. Im Meßstrahlengang ist ebenfalls eine Abbildungsoptik (31) vorgesehen, die die aufgenommene Strahlung über einen Teilerspiegel (32) auf einen Detektor (14) und in einen nicht weiter dargestellten Beobachtungsstrahlengang (33) leitet.

Durch die Abbildungsoptiken (30, 31) werden optische Achsen definiert, die sich in einer Meßebene (34) schneiden. Über das Gestänge (27) kann der Meßkopf (24) so verschoben werden, daß die Meßebene (34) mit der Ebene der zu untersuchenden Gewebefläche am Arm der Versuchsperson übereinstimmt. Der Arm kann durch nicht dargestellte Schnallen bei Bedarf gegenüber der Tischfläche fixiert werden.

Das Gestänge (27) kann z. B. an einer Kreuzschlittenführung (35) befestigt sein, deren eine Führungsbahn (36) auf einer Tischfläche (37) befestigt ist, die gleichzeitig als Objektauflage dient. Der Kreuzschlitten kann in bekannter Weise motorisch verschiebbar sein. Dargestellt ist ein Motor (38), der den in der Zeichenebene laufenden Schlittenteil (39) antreibt. Mit Hilfe von nicht dargestellten Weggebern kann der Verschiebeweg in den beiden Koordinatenrichtungen des Kreuzschlittens gemessen und registriert werden. Wenn vorher der Meßkopf bezüglich der Gewebefläche einjustiert wurde, kann auf diese Weise der untersuchte Gewebeflächenbereich größenmäßig angegeben werden und die lokale Verteilung der Eigenfluoreszenz und des Reflexionslichtes innerhalb dieser Fläche koordinatenmäßig festgelegt werden.

Das Gestänge (27) ist in der Kreuzschlittenführung (35) mittels eines Säulenteiles (40) befestigt. Dieses kann einerseits drehbar um seine Längsachse gelagert sein, es kann darüber hinaus aber auch mit einer Höhenverstellmöglichkeit ausgerüstet sein. Nach Justierung des Meßkopfes (24) und Fixierung der Gelenke des Gestänges (27) kann über eine Messung der Höhenverstellung auch eine topografische Aussage innerhalb des Meßbereichs auf der Gewebefläche gemacht werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 zeigt eine Möglichkeit für die Anordnung der bereits beschriebenen Funktionselemente, die für die Untersuchung relativ großer Objekte geeignet ist. Die Aufhängung des Meßkopfes (24) geschieht über ein an sich bekanntes, hier z. B. an der Decke befestigtes Stativ (41), das ebenfalls allseitig meßbar verschiebbar sein soll. Die zu untersuchende Person liegt auf einem Rollbett (42), das ebenfalls meßbar auf der Tischfläche (43) verschiebbar sein soll. Es kann außerdem in jeder Position festgestellt werden. Unter dem Untersuchungstisch sind alle im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen ortsfest anzuordnenden Baugruppen in einem Schrank (44) untergebracht.

Anhand der Fig. 4 sollen die bei der Untersuchung einer Hautfläche typischerweise auftretenden Meßkurven beschrieben werden. Die Messung wurde bei einer Anregungswellenlänge λ _A =366 nm durchgeführt. Die Intensitäten der rückgestreuten Spektralanteile wurden mit Hilfe eines optischen Vielkanalanalysators gemessen, der die Intensität I als Anzahl von Impulsen pro 100 msec angibt.

Das obere Diagramm der Fig. 4 enthält zwei Meßkurven. Die intensitätsschwache untere Kurve wurde an einer Hautfläche aufgenommen, die an der Meßstelle und in ihrer näheren Umgebung keinerlei atypische Verfärbungen aufweist. Das Reflexionslicht I _OR bei λ _A und die Intensität der Eigenfluoreszenz I _OF bei λ _{max 1} sind zwar deutlich ausgeprägt, jedoch in absoluten Werten gering. Es konnte beobachtet werden, daß der Kurvenverlauf an anderen vergleichbaren Hautflächen derselben Person oder anderer Personen im Rahmen der Meßgenauigkeit immer dasselbe Ergebnis brachte, für diese also charakteristisch ist.

Nicht dargestellt ist der Kurvenverlauf an einer dunkel ge­ fäbten Hautfläche, die üblicherweise als Muttermal (Naevuszellnaevus) bezeichnet wird. Hier konnte beobachtet werden, daß die Intensitäten sowohl der Eigenfluoreszenz I _F als auch des Reflexionslichtes I _R bei derselben Anregungswellen­ länge λ _A und bei derselben Fluoreszenzwellenlänge λ _{max 1} ver­ schwindend klein werden. Das gleiche Ergebnis brachte auch die Untersuchung an dem flachen Teil eines Haut-Tumors (Melanom), der auch für das geübte Auge des Mediziners häufig nicht vom Muttermal zu unterscheiden ist.

Überraschenderweise wurde jedoch bei diesen Untersuchungen gefunden, daß im Übergangsbereich zwischen normal-gefärbt erscheinender Haut und dem Tumor, d. h. in Bereichen, in denen eine Verfärbung mit dem Auge noch nicht wahrnehmbar ist, die Intensitäten des Reflexionslichtes I _R bei λ _A und der Eigenfluoreszenz I _F , ebenfalls mit λ _A angeregt und bei λ _{max 1} gemessen, beträchtlich zunehmen. Dieser Sachverhalt ist in der oberen Meßkurve dargestellt. Daraus ist auch zu entnehmen, daß I _F um mindestens eine Zehnerpotenz zunimmt.

Das untere Diagramm der Fig. 4 zeigt das registrierte Spektrum im Knoten des Tumors (exophytischer Teil). Auch hier ist die Reflexionsintensität I _R wieder stark ausgeprägt. Auffällig ist jedoch, daß die Eigenfluoreszenz I _F bei λ _{max 1} nicht mehr auftritt, dagegen eine neue Fluoreszenzbande im längerwelligen Bereich bei λ _{max 2}.

In Fig. 5 ist die örtliche Abhängigkeit der Intensitätswerte I _F bei λ _{max 1} und λ _{max 2} dargestellt, wobei wiederum der bereits zu Fig. 4 erwähnte Tumor vermessen wurde. Dieser ist in Fig. 5 über den Meßkurven dargestellt. Er gliedert sich in einen äußeren Bereich 50, den sog. flachen Teil 51 des Melanoms und den sog. Knoten (52), der sich häufig geschwulstartig aus dem flachen Teil (51) hervorhebt.

Das obere Diagramm in Fig. 5 zeigt, daß in der Umgebung des Tumors, also in der noch als "gesund" eingestuften Haut-Region, die Intensiät I _F mit zunehmender Entfernung vom Melanom wieder auf Normalwerte abfällt. Dasselbe gilt auch für die Reflexionsintensität I _R . Die Größe des Übergangsbereiches, d. h. die Entfernung vom Melanom bis zur histologisch gesunden Haut, hängt selbstverständlich vom Ausmaß des Tumors ab. Sie kann mit der erfindungsgemäßen Anordnung aber sicher ausgemessen werden.

Das untere Diagramm der Fig. 5 zeigt deutlich die Lage des Knotens (52). Der flache Teil (51) gibt meßtechnisch kein Signal.

Die entscheidende Bedeutung der insoweit beschriebenen Meßergebnisse liegt darin, daß durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung bereits der Beginn einer Anomalie im Hautgewebe sicher festgestellt werden kann. Da sich in dem Anfangsbereich immer die charakteristische Normalreaktion der Haut und die Anomalie-Effekte überlagern, ist es für eine sichere Eingrenzung des Melanom-Bereiches wichtig, daß die lokal gemessenen Intensitäten auf die Intensität I₀ der normalen, gesunden Haut normiert werden. Nur dann können Anomalien auch im Bereich scheinbar normal gefärbter Gewebebereiche sicher erkannt werden.

Es ist bis heute mit dem gegenwärtigen Wissens- und Technik- Stand nicht möglich, zumindest zu Beginn der Anomalie im Hautbereich, eine eindeutige Entscheidung über das Vorhandensein eines Melanoms zu treffen. Probe-Exzisionen, die sehr oft zu Verunstaltungen im Bereich der entfernten Gewebeflächen führen, sind bisher die einzige Möglichkeit, um eine histologische Untersuchung durchführen und danach eine eindeutige Entscheidung über das Vorhandensein eines Melanoms treffen zu können. Die vorstehend offenbarte nicht-invasive Methode macht die bisher unumgängliche Probe-Exzision überflüssig, da sie bei in-situ-Messungen eine eindeutige Unterscheidung über die Malignität der untersuchten Hautstelle erlaubt. Darüber hinaus kann sie im Falle eines Melanoms dem Operateur die Ausdehnung der entarteten Hautstelle aufzeigen und ihm einen Hinweis über die Größe der zu entfernenden krankhaften Hautstelle geben.

Claims (12)

1. Anordnung zur Messung eines Zustandswertes für organische Gewebeflächen mit

• - einer Projektionsvorrichtung zur Projektion eines Spalt­ bildes auf die Gewebefläche,
• - einer Meßvorrichtung zur Messung des rückgestreuten Lichtes,
• - einer Auswerteeinrichtung zur Analyse des rückgestreuten Lichtes und
• - einer Anzeigeeinrichtung für die Meßwerte, wobei gemäß Patent 35 42 167
  • - die Projektionsvorrichtung Mittel zur Erzeugung eines monochromatischen Anregungsstrahlenbündels mit der Wellenlänge λ _A enthält,
  • - die Meßvorrichtung ein registrierendes Spektralfotometer enthält,
  • - die Auswerteeinrichtung die einer Maximalintensität I des registrierten Rückstreuspektrums zugeordneten Wellenlänge λ _max ermittelt, einen Speicher mit einer Zustandswerteskala enthält, der eine empirisch ermittelte Wertetabelle für die Meßparameter λ _A , λ _max , I und daraus abgeleiteter Intensitätsverhältnisse zugeordnet ist, und den gesuchten Zustandswert der organischen Gewebefläche durch Vergleich der aktuellen Meßparameter mit der Wertetabelle des Speichers ermittelt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Anregungswellenlänge g _A zwischen 320 nm und 550 nm liegt,
• b) das Spektralfotometer das rückgestreute Licht im Wellenlängenbereich zwischen 320 nm und 700 nm aufnimmt und
• c) die Auswerteeinrichtung die Maximalintensität des reflektierten Lichtes bei der Wellenlänge λ _A und die Maximalintensität des Fluoreszenzlichtes im zu λ _A längerwelligen Bereich ermittelt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionsvorrichtung und der Detektorteil der Meßvorrich­ tung zu einem separat gelagerten Meßkopf zusammengefaßt sind und eine davon getrennte Vorrichtung zur Lagerung der Gewebefläche vorgesehen ist, wobei Meßkopf und Gewebefläche relativ zueinander definiert verschiebbar sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Projektions- und/oder Meßvorrichtung eine Video-Kamera mit nachgeschaltetem Monitor zur Positionierung des Spaltbildes auf der Gewebefläche zugeordnet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung für den Abstand zwischen unterschiedlichen Meßpositionen des Meßkopfes relativ zur Gewebefläche.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen motorischen Antrieb zur Relativverschiebung und einen Signalgeber zur Steuerung des motorischen Antriebs und Abruf der in vorgegebenen Meßpositionen ermittelten Meßparameter.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher der Auswerteeinrichtung mindestens einen empirisch ermittelten Parametersatz λ _A , I₀₁, λ _{max 1} als Referenz enthält und die aktuellen Meßwerte I₁ bei λ _A , λ _{max 1} zur Normierung auf I₀₁ bezogen werden.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für jede Anregungswellenlänge λ _A mindestens ein Referenz­ Parametersatz vorgesehen ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß für mindestens eine Anregungswellenlänge λ _A mindestens ein weiterer Referenz-Parametersatz I₀₂, λ _{max 2} zur Normierung der aktuellen Meßwerte I ₂ bei λ _A , λ _{max 2} vorgesehen ist.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der lokalen Verteilung des Reflexionslichtes und/oder des Fluoreszenzlichtes der zur Normierung dienende Parametersatz jeweils in der Startposition der Messung ermittelt und in den Speicher eingegeben wird.

10. Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung in Abhängigkeit von einer monochromatischen Anregungswellenlänge g _A aus dem Bereich 320 mm bis 550 mm als Parameterpaare Maximum I _F des Fluoreszenzlichtes im Bereich 380 mm bis 700 mm und zugeordneter Wellenlänge λ _max und Maximum I _R des Reflexionslichtes mit zugeordnetem λ _A ermittelt.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung einen Vergleich des lokal gemessenen Wertes I _{F ( λ max ) und I R ( λ A ) mit einem empirisch ermittelten Normalwert I OF ( λ max ) und I R ( λ A ) bei derselben Anregungswellenlänge λ A vornimmt.}