DE4318823C2 - Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung.

Zur Untersuchung menschlichen Gewebes hinsichtlich eventueller Gewebe-Anomalien sind eine Reihe von Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt. So werden seit längerem Röntgenstrahlen verwendet, um derartige Untersuchungen durchzuführen. Damit lassen sich zwar gut kontrastierte Bilder des menschlichen Skelettaufbaus realisieren, jedoch ist die erreichbare Bildqualität bei der Detektion von Tumoren für eine sichere Diagnose oft nicht ausreichend. Insbesondere die mangelnde Kontrastierung zwischen verschiedenen zu untersuchenden Gewebearten macht diese Untersuchungsmethode für bestimmte Zwecke nur bedingt geeignet. Ein weiterer, bedeutender Nachteil bei der Verwendung von Röntgenstrahlen liegt in deren ionisierender Wirkung und der resultierenden Wechselwirkung mit dem menschlichen Gewebe. Demzufolge sucht man seit längerem nach Untersuchungsmethoden bzw. geeigneten Vorrichtungen, die mit nicht-ionisierender elektromagnetischer Strahlung realisierbar sind und eine hinreichende Bildqualität für die Auswertung liefern.

Eine geeignete Vorrichtung zur Detektion von Änderungen des Absorptions-Koeffizienten in einem streuenden Medium, die nicht mit Röntgen-Strahlung arbeitet, wird beispielsweise in der US-Patentschrift US 4,972,331 beschrieben. Beim dort vorgeschlagenen Phasenmodulations-Spektroskopie-Verfahren wird Strahlung zweier Wellenlängen im nahen Infrarot alternierend in das zu untersuchende menschliche Gewebe eingekoppelt und die Strahlungssignale dabei hochfrequent moduliert. Detektorseitig werden Änderungen charakteristischer Strahlungsgrößen, wie u. a. die resultierende Phasenverschiebung im Gewebe, registriert und daraus auf die Konzentration eines Gewebebestandteiles geschlossen, das die transmittierte Strahlung absorbiert, beispielsweise ein Tumor.

Die beschriebene Vorrichtung weist nun eine Reihe von Nachteilen auf. Zum einen ist aufgrund des alternierenden Einkoppelns elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängenbereiche und der gewählten Detektor-Anordnung eine hohe Meßzeit die Folge, da auch eine sequentielle Detektion der unterschiedlichen Wellenlängen erfolgt. Ferner ist problematisch, daß extrem schwache optische Signale im Hochfrequenzbereich mittels eines hochempfindlichen Detektors in elektrische Signale umgewandelt werden müssen. Ein derartiger Detektor muß aufgrund des starken Signal-Rauschens der HF-Signale eine große Bandbreite aufweisen und ist entsprechend teuer. Die vom Detektor gelieferten elektrischen Signale wiederum sind äußerst empfindlich gegen hochfrequente Störfelder aus der jeweiligen Umgebung. Desweiteren kann mit Hilfe der dargestellten Anordnung lediglich festgestellt werden, daß beispielsweise ein Tumor vorhanden ist; Aussagen über die präzise Lokalisation und die Größe des Tumors innerhalb des untersuchten Gewebe-Volumens sind nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung zu schaffen, die die Lokalisation von begrenzten Änderungen der Streu- und/oder Absorptionseigenschaften in menschlichem Gewebe mit möglichst hohem Kontrast und hoher Orts-Auflösung gewährleistet. Zudem soll eine zwei- oder dreidimensionale Bildrekonstruktion aus den gemessenen Daten möglich sein. Desweiteren wird eine Reduzierung des apparativen Aufwandes bei gleichzeitiger Verkürzung der Meßzeiten und möglichst geringer Anfälligkeit gegenüber äußeren Störeinflüssen angestrebt.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung erlaubt nunmehr die ortsaufgelöste Detektion von Anomalien, beispielsweise von Tumoren, im menschlichen Gewebe inclusive der zwei- oder dreidimensionalen Bildrekonstruktion. Ein möglicher Einsatz liegt in der Brustkrebs-Früherkennung.

Es resultiert insbesondere ein erheblich geringerer apparativer Aufwand im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen, was u. a. auf die erfindungsgemäße Ausführung der Detektionseinheit zurückzuführen ist. In den verschiedenen Ausführungsvarianten der Detektionseinheit ist beispielsweise der Einsatz preiswerter und hochempfindlicher Detektoren geringer Bandbreite möglich.

Durch das gleichzeitige Einkoppeln von zwei oder mehr verschiedenen Wellenlängen in ein einziges Sende- Strahlführungssystem über ein Multiplex-Element und die jeweilige Ausführung der Detektoreinheit, d. h. insbesondere die erfindungsgemäße Kombination der De-Multiplex- Einrichtung mit der jeweiligen Mischeinrichtung, ist desweiteren eine Verkürzung der Meßzeit im Vergleich zum erwähnten Stand der Technik um mindestens den Faktor 2 möglich.

Eine Verbesserung der Ortsauflösung und Kontrastierung ergibt sich zudem aufgrund der Bildrekonstruktion nach dem Entfaltungs-Prinzip. Hierzu wird mit Hilfe einer Scaneinheit bei einer festen Strahlungsquellen-Position die Streulichtverteilung über ein größereres, austrittsseitiges Flächenelement gemessen. Dazu sind verschiedene Scaneinheiten geeignet.

Vorteilhaft erweist sich bei der Bildrekonstruktion die Verwendung von raumwinkel-selektiven Elementen innerhalb der Scaneinheit, um derart störende "Fremdlicht-Einflüsse" zu unterdrücken.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist desweiteren modular aufgebaut, so daß der problemlose Austausch einzelner Komponenten je nach gewünschter Auslegung jederzeit möglich ist, beispielsweise der Einsatz unterschiedlicher Misch- und Detektionseinheiten.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.

Hierbei zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe- Untersuchung;

Fig. 2a-2d jeweils eine mögliche Ausführungsform der Detektionseinheit;

Fig. 3 ein schematisiert dargestelltes Ausführungsbeispiel einer geeigneten optischen Mischeinrichtung;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer möglichen Scaneinheit mit einer lateral ausgedehnten Detektoranordnung;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für ein raumwinkel­ selektives Element, angeordnet vor einer lateral ausgedehnten Detektoranordnung;

In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung dargestellt. Diese weist einen modularen Aufbau auf, der es gestattet, je nach gewünschter Auslegung einzelne Komponenten problemlos gegeneinander auszutauschen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst i. w. eine optische Sendeeinheit (10), eine Modulationseinheit (20), eine Scaneinheit (30), eine Detektionseinheit (40), eine Steuereinheit (50) sowie eine Auswerteeinheit (60).

In der optischen Sendeeinheit (10) sind dabei zwei oder mehr Lichtquellen LQi (11a, 11b, 11c) angeordnet, die Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge λ_i emittieren. Hierzu können beispielweise Laserdioden der Fa. Spectra Diode Labs mit den Typenbezeichnungen SDL 7422, SDL 2431 oder dgl. verwendet werden, die Wellenlängen λ_i zwischen 670 nm und 950 nm liefern, d. h. im (sichtbaren) roten und (unsichtbaren) nah-infraroten Spektralbereich arbeiten. Im Blockschaltbild der Fig. 1 sind drei verschiedene Lichtquellen (11a, 11b, 11c) dargestellt, es können jedoch jederzeit auch mehr unterschiedliche Lichtquellen bzw. entsprechende Wellenlängen eingesetzt werden. Entscheidend bei der Auswahl der verwendeten Wellenlängen λ_i ist hierbei lediglich, daß diese eine möglichst unterschiedliche Absorptionscharakteristik im zu untersuchenden menschlichem Gewebe (100) aufweisen.

Die Lichtquellen (11a, 11b, 11c) werden über eine Modulationseinheit (20) hochfrequent intensitätsmoduliert. Hierzu umfaßt die Modulationseinheit (20) z. B. kommerzielle HF-Oszillatoren für die unterschiedlichen Lichtquellen (11a, 11b, 11c), wie sie etwa von der Fa. Rohde & Schwarz unter den Typenbezeichnungen SMG bzw. SMX vertrieben werden, in Fig. 1 aus Übersichtlichkeitsgründen jedoch nicht dargestellt sind. Alternativ können auch spezielle Oszillatoren auf Basis direkter digitaler Synthesizer (DDS) verwendet werden, die mindestens zwei HF-Ausgänge im Bereich 100-500 MHz besitzen und um einen definierten Offset ▲f versetzt, aber phasenstarr gekoppelt sind.

Die Modulationsfrequenz für die einzelnen Lichtquellen (11a, 11b, 11c) liegt vorteilhafterweise zwischen 100 MHz und 500 MHz und setzt sich aus einer hochfrequenten Modulations-Grundfrequenz f zuzüglich einer definierten, niederfrequenten Modulations-Offset-Frequenz ▲f_i zusammen, d. h. es resultiert eine Gesamt-Modulationsfrequenz f_Gi = f + ▲f_i für jede Wellenlänge λ_i. Je nach eingesetzter Detektionseinheit (40) sind die Modulations-Offset- Frequenzen ▲f_i der einzelnen Lichtquellen (11a, 11b, 11c) und damit auch die Gesamt-Modulationsfrequenzen f_Gi identisch oder aber unterschiedlich; entsprechende Ausführungsvarianten der Detektionseinheit (40) werden anhand der Fig. 2a-2d noch detaillierter erläutert.

Die optische Sendeeinheit (10) umfaßt desweiteren eine - nicht dargestellte - Temperatur-Regelung für die verwendeten Lichtquellen (11a, 11b, 11c), um diese bei einer stabilen Temperatur zu betreiben. Dies ist notwendig, um möglichst stabile Phasen- und Amplitudenwerte der emittierten Strahlung zu gewährleisten.

Ferner beinhaltet die optische Sendeeinheit (10) ein - schematisiert dargestelltes - Multiplex-Element (12), mit dem die von den einzelnen Lichtquellen (11a, 11b, 11c) emittierten Strahlenbündel in ein einziges Sende- Strahlführungssystem (15) eingekoppelt werden. Als geeignetes Multiplex-Element (12) für ein sequentielles Einkoppeln kann beispielsweise eine "Chopper-Anordnung" mit einem Chopper-Rad eingesetzt werden, das mit einer definierten Umlauffrequenz betrieben wird und derart sequentiell Strahlung der einzelnen Lichtquellen (11a, 11b, 11c) in das Sende-Strahlführungssystem (15) einkoppelt.

Das Chopper-Rad wird beim sequentiellen Multiplexen über eine Steuer-Einheit (50) in einer definierten Frequenz getaktet, d. h. die Einkoppelfrequenz der separaten Lichtquellen (11a, 11b, 11c) in das Sende- Strahlführungssystem (15) wird von der externen Steuereinheit (50) gesteuert. Die Steuereinheit (50), die daneben noch weitere - im folgenden noch zu beschreibende - Funktionen übernimmt, wird vorteilhafterweise über einen Rechner softwaremäßig realisiert.

Alternativ zum sequentiellen Multiplexen mit Hilfe der Chopper-Anordnung können besonders vorteilhaft auch bekannte faseroptische Multiplex-Elemente verwendet werden, die das gleichzeitige bzw. parallele Einkoppeln und Übertragen der modulierten Strahlung in das Sende- Strahlführungssystem (15) ermöglichen. Derartige faseroptische Multiplex-Elemente werden z. B. von der Anmelderin vertrieben und sind etwa in der EP 0 194 612 beschrieben.

Als Sende-Strahlführungsystem (15) dient vorzugsweise ein faseroptischer Lichtleiter. Dieser weist auskoppelseitig eine Auskoppeloptik (31) auf, die das austretende Strahlbündel kollimiert. Auskoppel-Optik (31) und/oder Sende-Strahlführungssystem (15) sind mit einer Scaneinheit (30) gekoppelt, die ein definiertes Positionieren - vorzugsweise in einer Ebene - des kollimierten Strahlenbündels relativ zum zu untersuchenden Gewebe (100) übernimmt.

Wesentlich für die Funktion der Scaneinheit (30) bzw. der gesamten erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nunmehr, daß eine definierte Beziehung zwischen dem punktförmigem Einstrahlort im Gewebe (100) und dem detektionsseitigen Austrittsort mittels einer ortsauflösenden Detektoranordnung der Scaneinheit (30) hergestellt wird.

Hierzu sind verschiedene Ausführungen der Scaneinheit (30) möglich.

So kann, wie in Fig. 1 schematisiert dargestellt, eine detektionsseitige Einkoppel-Optik (32) vorgesehen werden, die die durch das Gewebe (30) transmittierte Strahlung in ein Detektions-Strahlführungssystem (35), z. B. einen faseroptischen Lichtleiter, fokussiert bzw. einkoppelt. Die Scaneinheit (30), ebenfalls gesteuert über die Steuereinheit (50), ermöglicht in dieser Scan-Anordnung ein synchrones Abscannen des zu untersuchenden Gewebes (100), d. h. die sendeseitige Auskoppeloptik (31) wird immer synchronisiert in der gleichen Achse zur detektionsseitigen Einkoppeloptik (32) positioniert. Als ortsauflösende Detektor-Anordnung der Scaneinheit (30) dient in diesem Ausführungsbeispiel demzufolge die synchron zum kollimierten Sende-Strahlenbündel positionierte Einkoppeloptik (32) inclusive dem Detektions- Strahlführungssystem (35).

Eine alternative, zweite Ausführungsform der Scaneinheit (30) aus Fig. 1 sieht anstelle des synchronisierten Scannens vor, das sendeseitige Strahlführungssystem (15) bzw. die Auskoppeloptik (31) an einer definierten Position zu belassen und lediglich empfangsseitig mit dem Detektions-Strahlführungssytem (35) bzw. dessen Einkoppeloptik (32) eine definierte Positionsveränderung vorzunehmen und die transmittierte Strahlung an verschiedenen Punkten über einen lateralen, größeren Flächenbereich zu registrieren. Ein derartiger Scan-Vorgang kann anschließend für mehrere (z. B. 5-10) sendeseitig- festgehaltene Einstrahlpositionen des kollimierten Strahlbündels vorgenommen werden.

Schließlich ist es desweiteren möglich, innerhalb der zuletzt beschriebenen Ausführungsform der Scaneinheit detektionsseitig anstelle der punktförmigen, ortsauflösenden Detektor-Anordnung, die bewegt wird, eine zweidimensionale bzw. lateral ausgedehnte ortsauflösende Detektoranordnung mit einer CCD-Kamera oder einem CCD-Array mit vorgeschaltetem Bildverstärker zu verwenden. Der vorgeschaltete Bildverstärker übernimmt dabei das Heruntermischen der HF-Signale auf niedrigere Signalfrequenzen. Ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Scaneinheit wird in Fig. 4 beschrieben. Analog kann selbstverständlich auch eine CCD-Zeile innerhalb einer ortsauflösenden Detektoranordnung der Scaneinheit bei festgehaltener "Punktlichtquelle" eingesetzt werden.

Um detektorseitig möglichst nur die unter einem definierten Winkel aus dem Gewebe austretende Strahlung zu registrieren, weist die Scaneinheit bzw. die ortsauflösende Detektoranordnung vorteilhafterweise jeweils raumwinkel­ selektive Elemente zwischen der ortsauflösenden Detektor- Anordnung und dem zu untersuchenden Gewebe auf, um somit die Signalauswertung störende Fremdlichteinflüsse aus anderen Raumrichtungen zu unterdrücken. Eine hierzu geeignete Vorrichtung wird anhand von Fig. 5 beschrieben. Derartige raumwinkel-selektive Elemente erweisen sich dabei für alle vorab beschriebenen Ausführungsbeispiele der Scaneinheit als vorteilhaft.

Schließlich ist es desweiteren möglich, zur Unterdrückung störender Streustrahlung aus verschiedenen Richtungen, die Scaneinheit (30) in einer konfokalen Anordnung zu betreiben.

Das mit definierter Ortsauflösung über die Scaneinheit (30) registrierte, durch das Gewebe (100) transmittierte schwache Strahlungssignal gelangt über das Detektions- Strahlführungssystem (35) schließlich auf die Detektionseinheit (40). Dort erfolgt das Heruntermischen des HF-amplitudenmodulierten schwachen Lichtsignals auf eine niedrigere Frequenz unter Erhaltung der Phaseninformationen, eine ggf. erforderliche geeignete Verstärkung sowie die wellenlängenabhängige Registrierung der erfolgten Phasenverschiebungen im durchstrahlten Gewebe (100) und die ebenfalls wellenlängenabhängige Registrierung der Intensitäten bzw. Amplituden der transmittierten Strahlung. Die registrierten optischen Signale werden innerhalb der Detektionseinheit (40) in geeignete elektrische Signale umgewandelt, die von der Auswerteeinheit (60) weiterverarbeitet werden können.

Als Referenz zu den ermittelten Informationen der transmittierten Strahlungs-Signale dienen jeweils die Signale der Modulationseinheit sowie der optischen Sendeeinheit, d. h. insbesondere die einmal aufgeprägten Phasen- und Amplituden-Informationen, die sich beim Durchgang durch das Gewebe verändern.

Verschiedene mögliche Varianten der Detektionseinheit (40) werden explizit anhand der Fig. 2a-2d beschrieben.

Die von der Detektionseinheit (40) erfaßten resultierenden Phasen- und Amplitudenänderungen der einzelnen Wellenlängenanteile im durchstrahlten Gewebe (100) werden schließlich von der Auswerteeinheit (60) weiterverarbeitet. Hierzu werden von der Auswerteeinheit (60) auch Informationen der Steuereinheit (50) hinsichtlich der Orte, wo die Signale über die Scaneinheit (30) gemessen wurden, herangezogen. Die Auswerteeinheit (60) übernimmt desweiteren auch die bildgebende Signalverarbeitung mit der anschließend möglichen Darstellung auf einem Display, beispielsweise die Darstellung von Schnittbildern des untersuchten Gewebes.

Die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbesserte Messung von Phase, Amplitude und Gleichstromanteil der transmittierten bzw. gestreuten Strahlung eines kollimierten Lichtstrahles ermöglicht nunmehr die Auswertung von Phasen- und Modulationsbildern. Das austrittsseitig resultierende und gemessene Signal wird als an den Gewebsstrukturen gebeugte Diffusionswelle interpretiert. Die Phase einer Messung entspricht dabei im wesentlichen der mittleren Laufzeit der ankommenden Diffusionswelle am jeweiligen Meßort, die Amplitude der erlittenen Dämpfung der Diffusionswelle. Das mit Hilfe der Scaneinheit (30) flächenhaft registrierte Beugungsbild wird unter Verwendung eines Gewebe-Modelles für die Bildrekonstruktion weiter verarbeitet. Die Streulichtverteilung repräsentierende Werte, wie etwa Verteilungsmomente, Asymmetriekonstanten oder Phasennulldurchgänge werden abgespeichert und stellen die Startdaten für die Absorber- und Streuverteilungsinhomogenitäts-Bestimmung über iterative Rekonstruktionsverfahren im Gewebe dar. Im nächsten Meßschritt werden unter Zuhilfenahme der Startdaten diese Schritte wiederholt und eventuell die Daten des vorhergehenden Meßpunktes korrigiert. Dieses iterative Verfahren wird sowohl hinsichtlich Phase und Modulationsgrad angewendet, was in gewissen Grenzen eine Separation von Streu- und Absorptionsänderungen erlaubt. Ausgangsseitig werden der Auswerteeinheit (60) jeweils die gleichen Informationen bezüglich der im Gewebe erfolgten Phasen- und Amplitudenänderungen übergeben. Vorteilhafterweise wird für dieses Verfahren in der Auswerteeinheit (60) ein spezieller IC (ASIC) verwendet, der die Rekonstruktion und Bildverarbeitung in kurzer Zeit ermöglicht.

Anhand der Fig. 2a-2d werden im folgenden verschiedene mögliche Ausführungsformen der Detektionseinheit (40) innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Diese Ausführungsvarianten unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der Kombinationsmöglichkeiten der verwendeten Mischeinrichtungen (M1, M2) zum Heruntermischen der HF- Signale auf niederfrequentere Signale und der möglichen De- Multiplex-Einrichtungen (D1, D2, D3), die zur wellenlängenabhängigen Trennung der Signalanteile der verschiedenen Lichtquellen LQ_i dienen.

Als geeignete Mischeinrichtungen kommen dabei elektrische Mischeinrichtungen (M1) oder aber optische Mischeinrichtungen (M2) in Frage. Damit können parallel arbeitende De-Multiplex-Einrichtungen kombiniert werden, wie etwa (faser-)optische De-Multiplexer (D2) oder aber digitale Frequenzfilterungs-Einrichtungen (D3). Ferner ist auch ein sequentielles De-Multiplexen, z. B. über eine bekannte Chopper-Anordnung (D1), möglich.

Anhand der Fig. 2a-2d werden die folgenden vier Kombinationsmöglichkeiten zwischen den Mischeinrichtungen und den De-Multiplex-Einrichtungen (D_i + M_i/M_i + D_i) anhand von schematisierten Blockschaltbildern erläutert:
Fig. 2a: M2 + D2
Fig. 2b: M2 + D3
Fig. 2c: D2 + M1
Fig. 2d: M1 + D3

Eine erste Ausführungsform der Detektionseinheit, bei der eine optische Mischeinrichtung (M2) in Kombination mit einer optischen De-Multiplex-Einrichtung (D2) verwendet wird, ist in Fig. 2a dargestellt. Die von der Modulationseinheit gelieferte Modulations-Offset-Frequenz ▲f_i ist in dieser Ausführung der Detektionseinheit hierbei für alle verwendeten Wellenlängen λ_i identisch, d. h.

▲f := ▲f_i.

Die über die Scaneinheit auf die Detektionseinheit (40) gelangenden HF-Signale im MHz-Bereich, jeweils moduliert mit f_G = f + ▲f, werden in einer optischen Mischeinrichtung (M2) auf niedrigere Frequenzen heruntergemischt, die im kHz-Bereich des Frequenz-Offsets ▲f liegen. Als hierfür geeignete optische Mischeinrichtungen (M2) können bekannte akusto- oder elektro-optische Mischeinrichtungen eingesetzt werden, wie etwa akusto- oder elektro-optische De- Modulatoren, die z. B. von den Firmen New Focus oder A & A vertrieben werden. Ein Ausführungsbeispiel eines geeigneten akusto-optischen Modulators wird in Fig. 3 beschrieben. Die jeweils verwendete optische Mischeinrichtung (M2) wird mit dem Hochfrequenz-Signal f bzw. f/2 der Modulationseinheit als Referenz-Signal betrieben. Als Ausgangs-Signal der optischen Mischeinrichtung (M2) resultiert ein Signal mit der Differenzfrequenz ▲f, d. h. eine Frequenz im kHz- Bereich. Diese Signale gelangen auf die nachgeordnete optische De-Multiplex-Einrichtung (D2), die als bekannter faseroptischer De-Multiplexer ausgeführt ist. Ein derartiger De-Multiplexer wird z. B. in der EP 0 194 612 der Anmelderin beschrieben. Die De-Multiplex-Einrichtung (D2) trennt die wellenlängenspezifischen Signalanteile λ₁, λ₂ und λ₃, die anschließend Detektoren (DET1, DET2, DET3) beaufschlagen, die für diese Wellenlängen ausgelegt sind. Als Detektoren (DET1, DET2, DET3) können nunmehr schmalbandige, preiswerte NF-Detektoren wie etwa Photodioden zum Einsatz kommen. Die registrierten Amplituden- und Phasen-Meßwerte der transmittierten Signalanteile werden in der Auswertestufe (A) der Detektionseinheit (40) schließlich in Relation zu den Amplituden und Phasen der Eingangs-Signale gesetzt, wozu als Referenzsignal der Frequenz-Offset ▲f herangezogen wird. Nach erfolgter Phasen- und Amplitudenauswertung in der Auswertestufe (A) werden die ermittelten Auswerte- Signale an die Auswerte-Einheit weitergegeben, die diese zusammen mit den ortsabhängigen Informationen der Scaneinheit weiter verarbeitet.

Eine zweite Ausführungsvariante der Detektionseinheit (40) ist in Fig. 2b dargestellt. Hierbei ist eine optische Mischeinrichtung (M2) in Kombination mit einer elektronischen - digital oder analogen - Frequenzfilterungs-Einrichtung (D3) vorgesehen, die als De- Multiplex-Einrichtung fungiert. Über die - in Fig. 2b nicht dargestellte - Modulationseinheit werden den verschiedenen Wellenlängen λ_i nunmehr unterschiedliche Gesamt- Modulationsfrequenz f_Gi = f + ▲f_i aufgeprägt, d. h. die Modulations-Offset-Frequenzen ▲f_i der einzelnen Wellenlängen unterscheiden sich. Analog zur vorab beschriebenen Ausführungsform in Fig. 2a erfolgt zunächst das Heruntermischen der HF-Signale auf die niedrigeren Differenzfrequenzen ▲f_i über die optische Mischeinrichtung (M2), die ebenfalls wieder mit der Modulationsfrequenz f bzw. f/2 als Referenzsignal betrieben wird. Die niederfrequenten Signalanteile der unterschiedlichen Wellenlängen λ_i mit unterschiedlichen Modulations- Frequenzen ▲f_i gelangen anschließend auf einen einzigen schmalbandigen NF-Detektor (DET), der beispielsweise als Avalanche-Photodiode oder Photomultiplier ausgeführt ist. Über die nachgeordnete elektronische Frequenzfilterungseinrichtung (D3) erfolgt die Separation der unterschiedlichen Wellenlängen der transmittierten Strahlung, d. h. die elektronische Frequenzfilterungseinrichtung (D3) dient hierbei als De- Multiplexeinrichtung. Die elektronische Frequenzfilterungs- Einrichtung (D3) kann in bekannter Weise analog, digital oder softwaremäßig realisiert werden. Wie im vorherigen Ausführungsbeispiel werden die verschiedenen transmittierten Signalanteile ▲f_i schließlich mit den Amplituden- und Phasen-Werten der Eingangs-Signale in einer Auswertestufe (A) in Beziehung gesetzt und anschließend auf die Auswerte-Einheit durchgeschaltet, die diese Informationen zusammen mit den Orts-Informationen der Scaneinheit weiter verarbeitet. Die Vorteile dieser Ausführungsform der Detektionseinheit (40) liegen in der kurzen Meßzeit, einer hohen Empfindlichkeit sowie dem geringen apparativen Aufwand, da nur ein Detektor erforderlich ist. Darüberhinaus gewährleistet die optische Mischeinrichtung (M2) eine optimale Unterdrückung von HF- Streusignalen.

Eine dritte Ausführungsform der Detektionseinheit (40) wird anhand von Fig. 2c beschrieben. Zur Signalverarbeitung wird hierbei eine optische De-Multiplex-Einrichtung (D2) mit einer elektrischen Mischeinrichtung (M1) kombiniert. Die verschiedenen Signalanteile der unterschiedlichen Wellenlängen werden hierbei alle mit der gleichen Modulationsfrequenz f_Gi = f + ▲f_i moduliert, d. h. ▲f_i := ▲f für alle Wellenlängen λ_i. Die unterschiedlichen Signalanteile der verschiedenen verwendeten Wellenlängen werden zunächst in der optischen De-Multiplex-Einrichtung (D2), z. B. einem bekannten faseroptischen De-Multiplexer, wellenlängenmäßig getrennt. Die noch hochfrequenten Signale gelangen anschließend auf die elektrische Mischeinrichtung (M1), die i. w. aus drei separaten Detektoren (DET1, DET2, DET3) besteht, welche mit der Modulationsfrequenz f als Referenzsignal betrieben werden. Als geeignete Detektoren (DET1, DET2, DET3), die auch gleichzeitig zum Heruntermischen der HF-Signale verwendet werden können, kommen beispielsweise Photomultiplier in Frage, wie sie etwa von der Fa. Hamamatsu unter der Typenbezeichnung R928 vertrieben werden. Die heruntergemischten, wellenlängenmäßig separierten Signale gelangen anschließend wie in den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen auf eine Auswertestufe (A), wo Amplituden- und Phaseninformationen der transmittierten Signalanteile zu den entsprechenden Infomationen der Eingangssignale in Relation gesetzt werden. Diese Informationen werden schließlich von der Auswerteinheit in der vorab beschriebenen Art und Weise weiter verarbeitet.

Eine vierte mögliche Ausführungsform der Detektionseinheit (40) wird schließlich anhand von Fig. 2d beschrieben. Hierbei wird eine elektrische Mischeinrichtung (M1) mit einer elektronischen Frequenzfilterungseinrichtung (D3) als De-Multiplex-Einrichtung kombiniert. Die Modulationsfrequenzen f_Gi der unterschiedlichen Wellenlängen unterscheiden sich in diesem Ausführungsbeispiel wieder, d. h. die einzelnen Wellenlängen λ_i besitzen Gesamt-Modulationsfrequenzen f_Gi = f + ▲f_i. In der elektrischen Mischeinrichtung (M1), die mit der Modulationsfrequenz f moduliert wird, erfolgt zunächst das Heruntermischen auf niedrigere Frequenzen im Frequenzbereich des Modulations-Offsets. Hierzu ist als elektrische Mischeinrichtung ein Photomultiplier inclusive Hochspannungsversorgung (HV) vorgesehen, dessen Verstärkung mit f moduliert wird. Die niederfrequenten Signalanteile ▲f_i werden anschließend in der elektrischen Frequenzfilterungseinrichtung (D3) wellenlängenmäßig separiert. Über die Auswertestufe (A) erfolgt wieder der Vergleich von Phasen- und Amplituden-Informationen der transmittierten Strahlung relativ zur Eingangsstrahlung. Entsprechend zu den vorherigen Ausführungsbeispielen werden diese Informationen wieder von der Auswerteeinheit weiterverarbeitet.

Eine für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe-Untersuchung geeignete optische Mischeinrichtung wird in Fig. 3 dargestellt. Hierbei wird ein akustooptischer Modulator in Form eines Ultraschall- Stehwellenmodulators eingesetzt, wie er z. B. von der Firma A & A vertrieben wird. Die ankommenden hochfrequenten Signalanteile werden über einen faseroptischen Lichtleiter (201) und eine Einkoppeloptik (202), z. B. eine Grin-Linse, in den Stehwellenmodulator (200) eingekoppelt. Dieser wird von einem Ultraschall-Transducer (203) mit einer Hoch- Frequenz moduliert, die der halben Frequenz f der Modulationseinheit entspricht und um die jeweilige Offsetfrequenz gegenüber dem HF-Anteil des optischen Signales verschoben ist. Die den Stehwellenmodulator (200) durchlaufenden hochfrequenten Signalanteile werden auf die Offset-Frequenzen ▲f_i heruntergemischt, die nullte Beugungsordnung über eine Auskoppeloptik (205) aus dem Stehwellenmodulator (200) ausgekoppelt und über einen weiteren faseroptischen Lichtleiter (206) weitergeleitet. Die Verwendung einer solchen optischen Mischeinrichtung reduziert den apparativen Aufwand für die Detektion der HF- Signale enorm, da nunmehr keine extrem schwachen optischen Signale im HF-Bereich mittels hochempfindlicher, aufwendiger, breitbandiger Detektoren in entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden müssen. Derartige hochempfindliche Detektoren sind üblicherweise zudem äußerst empfindlich gegen HF-Störfelder.

Eine alternative Scaneinheit (300) ist in Fig. 4 schematisiert dargestellt. Hierbei ist lediglich das Sende- Strahlführungssystem (150) bzw. dessen Auskoppeloptik (310) mit Hilfe der Scaneinheit (300) definiert in einer Ebene positionierbar. Die ortsaufgelöste Registrierung der transmittierten bzw. gestreuten Strahlung erfolgt über ein stationäres, flächiges Detektorelement (350). Hierzu kann beispielsweise eine bekannte CCD-Kamera mit vorgeschaltetem Bildverstärker eingesetzt werden. Die in Fig. 3 dargestellte Scaneinheit (300) ermöglicht beispielsweise einen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Weise, daß zu einer Reihe diskreter Einstrahlpunkte jeweils die resultierende Streulichtverteilung über das flächige Detektorelement (350) registriert wird. Mit Hilfe der gemessenen Werte wird die Bildrekonstruktion durchgeführt.

Wie bereits in der Beschreibung der Fig. 1 angedeutet, ist es vorteilhaft, vor dem jeweiligen Detektorelement der Scaneinheit raumwinkelselektive Elemente anzuordnen, um eine verbesserte Fremdlichtunterdrückung zu gewährleisten und so die Meßgenauigkeit zu steigern. Ein geeignete raumwinkelselektive Anordnung in Verbindung mit einem flächigen Detektorelement ist in Fig. 5 schematisiert dargestellt. Hierbei befinden sich zwischen dem zu durchstrahlenden Gewebe (100) und dem flächigen Detektorelement (450) zwei Mikrolinsen-Arrays (420a, 420b) und ein Pinhole-Array (410) in konfokaler Anordnung. Das flächige Detektorelement (450), z. B. ein bekanntes CCD- Array oder eine CCD-Kamera, befindet sich entsprechend justiert hinter dem Pinhole-Array (420). Der für die diskreten Detektorpositionen jeweils effektive Öffnungswinkel ist durch die Brennweiten und den Durchmesser der einzelnen Mikrolinsen sowie durch den Durchmesser der einzelnen Pinholes bestimmt. Desweiteren kann im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen dem Mikrolinsen-Array (420) und dem zu durchstrahlenden Gewebe (400) bereits eine erste Streulichtunterdrückung benachbarter Bereiche erreicht werden, indem ein Blenden- Array auf der Gewebe-Austrittsseite angeordnet wird.

Ähnliche raumwinkelselektive Wirkungen können auch bei der Verwendung eines oder mehrerer faseroptischer Lichtleiter als ortsauflösende Detektoranordnungen realisiert werden. Hierbei entspricht der Kerndurchmesser des faseroptischen Lichtleiters effektiv den Durchmesser eines Pinholes der vorab beschriebenen konfokalen Anordnung. Durch die Wahl des jeweiligen Mantelmaterials sowie die Manteldicke des faseroptischen Lichtleiters ist der Öffnungswinkel variabel wählbar. Das Faserbündel-Array bzw. eine Faserplatte wird in einer derartigen Anordnung direkt auf das zu untersuchende Gewebe oder auf eine begrenzende Glasplatte angebracht und der flächige Detektor zu den Austrittsaperaturen des Faserbündels justiert.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur scannenden optischen Gewebe- Untersuchung mit
einer optischen Sendeeinheit (10), die kohärente Strahlung mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen liefert inclusive einem Multiplex- Element (12), das die verschiedenen Wellenlängen in ein einziges Sende-Strahlführungssystem (15) einkoppelt,
einer Modulationseinheit (20) zur hochfrequenten Intensitäts-Modulation der von der optischen Sendeeinheit (10) gelieferten Strahlung,
einer Scaneinheit (30), zum definierten Positionieren eines Lichtbündels, welches das Sende-Strahlführungs-System (15) verläßt und zum ortsaufgelösten Detektieren der durch das zu untersuchende Gewebe (100) transmittierten Strahlung mittels einer ortsauflösenden Detektoranordnung,
einer der Scaneinheit (30) nachgeordneten Detektionseinheit (40) mit einer Mischeinrichtung (M1, M2) zum Heruntermischen der hochfrequenten optischen Signale auf niedrigere Frequenzen, einer De-Multiplex-Einrichtung (D1, D2, D3) zum Trennen der wellenlängenspezifischen Siganlanteile und/oder ein oder mehreren Detektoren (DET1, DET2, DET3) zum Erfassen der Phasen und Amplituden der registrierten Signale, sowie einer Auswertstufe (A), die die transmittierten Signale in Relation zu den Eingangssignalen der von der optischen Sendeinheit (10) gelieferten Signale setzt,
und einer Auswerteeinheit (60) zur bildgebenden Verarbeitung der von der Auswertestufe (A) der Detektionseinheit (40) gelieferten Signale.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Sendeeinheit (10) eine Temperatur-Regelung für die Lichtquellen (11a, 11b, 11c) umfaßt, um diese bei einer stabilen Temperatur zu betreiben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Sendeeinheit (10) ein faseroptisches Multiplex-Element umfaßt, welches das parallele Einkoppeln der unterschiedlichen Wellenlängen in ein Sende- Strahlführungssystem (15) ermöglicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Modulationseinheit (20) eine hochfrequente Modulations-Grundfrequenz und eine niederfrequente Modulations-Offset-Frequenz liefert und die niederfrequente Modulations-Offset-Frequenz wahlweise für alle eingesetzten Wellenlängen unterschiedlich oder identisch ist und die Gesamt-Modulationsfrequenz sich aus der hochfrequenten Modulations-Grundfrequenz und der niederfrequenten Modulations-Offset-Frequenz additiv zusammensetzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Modulationseinheit (20) separat steuerbare HF- Oszillatoren für die unterschiedlichen Wellenlängen umfaßt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Scaneinheit (30) detektorseitig eine lateral ausgedehnte Detektoranordnung und sendeseitig eine definiert positionierbare, punktförmige Lichtquelle aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Scaneinheit (30) detektorseitig raumwinkelselektive Elemente vor der jeweiligen ortsauflösenden Detektoranordnung umfaßt, die nur definiert aus einem Punkt des Gewebes austretende Strahlung auf die Detektoranordnung gelangen lassen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit (40) eingangsseitig eine optische Mischeinrichtung (M2) umfaßt, der eine faseroptische De-Multiplexeinrichtung (D2) nachgeordnet ist, die die wellenlängenabhängigen Signalanteile auf entsprechend wellenlängenempfindliche Detektoren durchschaltet, die die Phasen- und Amplituden-Informationen der registrierten Signale erfassen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit (40) eingangsseitig eine optische Mischeinrichtung (M2) umfaßt, der ein Detektor (DET) nachgeordnet ist, der die Phasen- und Amplituden- Informationen der registrierten Signale erfaßt und dem Detektor (DET) eine elektronische Frequenzfilterungseinrichtung (D3) nachgeordnet ist, die die Detektor-Signale wellenlängenmäßig trennt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit (40) eingangsseitig eine faseroptische De-Multiplexeinrichtung (D2) aufweist, die die hochfrequenten Signale wellenlängenabhängig trennt, und diese auf entsprechend wellenlängenempfindliche Detektoren (DET1, DET2, DET3) durchschaltet, die die hochfrequenten Signale gleichzeitig auf niedrigere Frequenzen heruntermischen und als elektrische Mischeinrichtung (M1) fungieren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinheit (40) eingangsseitig eine elektronische Mischeinrichtung (M1) umfaßt, die die hochfrequenten Signale auf niedrigere Frequenzen heruntermischt und dieser elektrischen Mischeinrichtung (M1) eine digitale Frequenzfilterungseinrichtung (D3) als De-Multiplex- Einrichtung nachgeordnet ist, die die Siganle wellenlängenmäßig separiert.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Auswerteinheit (60) die bildgebende Verarbeitung der von der Auswertstufe (A) der Detektionseinheit (40) gelieferten Signale übernimmt und hierzu ein Display umfaßt.