DE4419900A1

DE4419900A1 - Verfahren und Anordnung zum Abbilden eines Objekts mit Licht

Info

Publication number: DE4419900A1
Application number: DE4419900A
Authority: DE
Inventors: Gerald Dipl Ing Dr Soelkner; Hartmut Dipl Phys Dr Bartelt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1994-06-07
Filing date: 1994-06-07
Publication date: 1995-12-14
Also published as: WO1995033987A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Abbilden eines Objekts mit Licht.

Zur Funktionsbildgebung mit Licht sind Verfahren bekannt, bei denen Licht, vornehmlich im Wellenlängenbereich des nahen In frarots (600 bis 1000 nm) in biologisches Gewebe eingestrahlt wird, um eine Abbildung von inneren Funktionen und Strukturen im lebenden Gewebe zu erhalten. Ein Anwendungsbeispiel dieser bildgebenden Verfahren ist die Früherkennung von Tumoren in der weiblichen Brust. Licht hat den Vorteil, daß es nicht ionisierend und deshalb nicht gewebeschädigend ist wie bei spielsweise Röntgenstrahlung. Ferner kann mit Licht eine spektrale Information erzielt werden, z. B. über die Oxigenie rung des Blutes oder die Durchblutung des Gewebes, die mit anderen bildgebenden Verfahren, beispielsweise mit Röntgen strahlung, nicht zugänglich sind, jedoch wichtige Hinweise auf Gewebeveränderungen liefern können. Ein Nachteil der Ab bildung mit Licht ist die durch die erhebliche Lichtstreuung im Gewebe vergleichsweise schlechte Ortsauflösung gegenüber anderen abbildenden Verfahren, wie beispielsweise der Rönt genabbildung, der Ultraschallabbildung oder der Magnetoreson anzabbildung. Zur Verbesserung der Ortsauflösung sind Kurz zeitmessungen und Amplitudenmodulation des Untersuchungs lichts bekannte Verfahren. Bei der Kurzzeitmessung werden nur die Photonen, die die wenigstens Streuprozesse erfahren haben und infolge dessen das Gewebe auf dem direktesten Weg durch quert haben, zum Bildaufbau herangezogen. Bei der Amplituden modulation des Untersuchungslichts wird die Phasenverschie bung des modulierten Anteils des durch das Gewebe gelaufenen Lichts im Vergleich zum modulierten Eingangssignal als Maß für die mittlere Weglänge der Photonen im Gewebe gemessen.

Ein weiteres Verfahren zum Abbilden von Gewebe mit Licht ist aus F.A. Marks, H.W. Tomlinson: "A comprehensive approach to breast cancer detection using light: photon localization by ultrasound modulation and tissue characterization by spectral discrimination", Biomedical Optics Conf. (Jan. 1993) bekannt. Bei diesem Verfahren, das die Autoren als "Ultrasound tag ging of light (UTL)" bezeichnen, wird das Untersuchungslicht mit einem fokussierten Ultraschallpuls moduliert. Im Fokusbe reich des Ultraschalls wird dem Untersuchungslicht die Ultra schallfrequenz aufgeprägt. Das durch das Gewebe transmittier te Licht wird mit einem Lock-in-Detektor, dessen Referenz lichtfrequenz die Ultraschallfrequenz ist, empfangen. Dadurch soll nur jener Lichtanteil für den Bildanteil eine Rolle spielen, der den Ultraschallfokus durchquert hat. Mit diesem Verfahren können nur Amplitudenmodulationen des transmittier ten Lichts detektiert werden. Da Ultraschall auf Fokusberei che mit einem Fokusdurchmesser von wenigstens etwa 1 mm fo kussiert werden kann, kann auf diese Weise prinzipiell die Ortsauflösung des Abbildungsverfahrens mit Licht verbessert werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, dieses bekannte Verfahren und die entsprechend bekannte Anordnung zum Abbil den eines Objekts mit Licht zu verbessern. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 13.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, für eine bes sere Ortsauflösung die Phasenmodulation von Licht im Objekt infolge der Wechselwirkung mit Ultraschall zu detektieren. Eine Ultraschallwelle ändert nämlich den lokalen Brechungsin dex für Licht im Objekt. Diese Änderung des Brechungsindex führt zu einer entsprechenden Phasenveränderung der durchlau fenden Lichtwelle.

In einem ersten Verfahrensschritt des Verfahrens gemäß der Erfindung werden Untersuchungslicht und zum Untersuchungs licht kohärentes Referenzlicht erzeugt. Als Mittel zur Durch führung dieses ersten Verfahrensschrittes können ein Laser und ein optisch nachgeschalteter optischer Koppler oder opti scher Strahlteiler zum Aufspalten des kohärenten Lichts des Lasers in das Untersuchungslicht und das Referenzlicht vorge sehen sein. In einem zweiten Verfahrensschritt wird in das Objekt Ultraschall mit einer vorgegebenen Trägerfrequenz ge sendet, der auf einen Fokusbereich innerhalb des Objekts fo kussiert ist. Als Mittel zum Senden des fokussierten Ultra schalls ist ein entsprechender Ultraschallsender, beispiels weise ein elektronisch phasenverzögert angesteuertes Array von piezoelektrischen Wandlerelementen, vorgesehen. In einem dritten Verfahrensschritt wird das Objekt mit dem Untersu chungslicht so bestrahlt, daß zumindest ein Teil des Untersu chungslichts durch den Fokusbereich des Ultraschalls im Ob jekt läuft. Dazu sind entsprechende optische Mittel zum Zu führen und Einkoppeln des Untersuchungslichts zu dem bzw. in das Objekt vorgesehen, beispielsweise ein Lichtwellenleiter oder eine entsprechende Freistrahlanordnung. In einem vierten Verfahrens schritt wird das Untersuchungslicht nach Durchlau fen des Objekts mit dem Referenzlicht interferometrisch überlagert. Als Mittel zur interferometrischen Überlagerung des durch das Objekt gelaufenen Untersuchungslichts und des Referenzlichtes können ein interferometrischer Koppler, bei spielsweise ein Lichtleiterkoppler oder auch optische Mittel zum Richten des durch das Objekt gelaufenen Untersuchungs lichts und des Referenzlichts auf einen Raumbereich, in dem die interferometrische Überlagerung dann stattfindet, vorge sehen sein. Bei der interferometrischen Überlagerung des Un tersuchungslichts und des Referenzlichts wird die vom Objekt abhängige Phasenmodulation des Untersuchungslichts durch den Ultraschall in eine Amplituden- oder Intensitätsmodulation des bei der interferometrischen Überlagerung entstandenen In terferenzlichts umgesetzt. In einem fünften und letzten Ver fahrensschritt wird die Amplitude oder Intensität des Inter ferenzlichts ausgewertet und es werden dadurch Informationen für einen Bildpunkt erhalten, der dem Abbild des im Fokusbe reich liegenden Objektteiles entspricht. Mittel zur Durchfüh rung dieses fünften Verfahrensschritts enthalten vorzugsweise photoelektrische Wandler, Mittel zum Auslesen dieser Wandler sowie eine Auswerteeinheit. Durch Bewegen des Fokusbereichs des Ultraschalls innerhalb des Objekts kann mit diesem Ver fahren eine Vielzahl von Bildpunkten für ein Bild des Objekts erhalten werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfah rens und der Anordnung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 bzw. Anspruch 13 jeweils abhängigen Ansprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in deren

Fig. 1 eine Anordnung zum Abbilden eines Objekts durch Abta sten des Objekts mit einem im wesentlichen nur durch den im Fokusbereich von fokussiertem Ultraschall liegenden Teil des Objekts laufenden Lichtstrahl und

Fig. 2 eine Anordnung zum Abbilden eines Objekts durch flä chiges Bestrahlen eines abzubildenden Bereichs des Objekts mit Licht und Senden eines auf einen Fokusbereich innerhalb dieses abzubildenden Bereichs fokussierten Ultraschallstrahls jeweils schematisch dargestellt sind. Einander entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 und Fig. 2 sind ein abzubildendes Objekt mit 2 und Mittel zum Erzeugen von Untersuchungslicht L einerseits und von zum Untersuchungslicht L kohärentem Referenzlicht R ande rerseits mit 4 bezeichnet. Kohärenz des Untersuchungslichts L und des Referenzlichts R zueinander bedeutet dabei, daß das Untersuchungslicht L und das Referenzlicht R im wesentlichen gleiche Lichtfrequenzen aufweisen und in einer vorgegebenen festen Phasenbeziehung zueinander stehen. Dem abzubildenden Objekt 2 sind zum einen Mittel 6 zum Senden von auf einen Fo kusbereich F innerhalb des Objekts 2 fokussiertem Ultraschall U mit einer vorgegebenen Trägerfrequenz f_U und zum anderen Mittel zum Bestrahlen zumindest des im Fokusbereich F des Ul traschalls U liegenden Teils des Objekts 2 mit dem Untersu chungslicht L zugeordnet. Die Mittel 6 zum Senden des fokus sierten Ultraschalls U sind vorzugsweise mit einem elektro nisch angesteuerten Array von piezoelektrischen Wandlerele menten gebildet. Als Trägerfrequenz f_U des Ultraschalls U können Frequenzen zwischen etwa 1 MHz und etwa 20 MHz gewählt werden. Die Abmessungen des Fokusbereichs F des Ultraschalls U betragen im allgemeinen zwischen 0,1 mm und 5 mm und vor zugsweise um etwa 1 mm. Die mit einem nicht bezeichneten Pfeil angedeutete Ausbreitungsrichtung des Ultraschalls U kann, wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, senkrecht zur ebenfalls mit einem Pfeil angedeuteten Einfallsrichtung des Untersuchungslichts L gerichtet sein, jedoch auch jeden ande ren Winkel mit dieser Einfallsrichtung einschließen. Insbe sondere kann der Ultraschall U auch wenigstens annähernd par allel zur Lichteinfallsrichtung des Untersuchungslichts L in das Objekt 2 gesendet werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn das Objekt 2 nur von einer Seite zugänglich ist.

In der Ausführungsform der Anordnung gemäß Fig. 1 umfassen die Mittel 4 zum Erzeugen von Untersuchungslicht L und Refe renzlicht R vorzugsweise einen Laser 40 und einen optisch mit dem Laser 40 verbundenen optischen Koppler 42 zum Aufteilen des kohärenten Laserlichts in zwei Lichtanteile, deren erster als Untersuchungslicht L und deren zweiter als Referenzlicht R verwendet wird. Als Koppler 42 ist in der dargestellten Ausführungsform ein Lichtleiterkoppler vorgesehen, der einen ersten Lichtleiter 5 und einen zweiten Lichtleiter 3 koppelt. Der erste Lichtleiter 5 ist dabei zum Übertragen des Laser lichts vom Laser 40 zum Koppler 42 und zum weiteren Übertra gen des Untersuchungslichts L vom Koppler 42 zum Objekt 2 vorgesehen. Der zweite Lichtleiter 3 ist dagegen zum Übertra gen des aus dem Laserlicht im ersten Lichtleiter 5 ausgekop pelten Referenzlichts R vorgesehen. Es kann allerdings als Koppler 42 auch ein Strahlteiler mit einem teildurchlässigen Spiegel vorgesehen sein. Zum Übertragen des Untersuchungs lichts L zum Objekt 2 ist dann wieder der Lichtleiter 5 vor gesehen. Das Untersuchungslicht L und das Referenzlicht R stehen somit in einer vorgegebenen festen Phasenbeziehung zu einander. Die Differenz der Phasen von Untersuchungslicht L und Referenzlicht R ist bei der Ausführungsform mit einem Lichtleiterkoppler gleich 0 und bei der Ausführungsform mit einem Strahlteiler wegen des bei der Reflexion am Spiegel auftretenden Phasensprungs gleich π. Die Untersuchungslicht frequenz f_L des Untersuchungslichts L und die Referenzlicht frequenz f_R des Referenzlichts R sind in beiden Ausführungs formen gleich der vorgegebenen Frequenz des Lasers 40. Die Untersuchungslichtfrequenz f_L und die Referenzlichtfrequenz f_R werden im allgemeinen jeweils aus dem Frequenzbereich des sichtbaren Lichts oder des Infrarot-Lichts gewählt. Vorzugs weise liegen die entsprechenden Wellenlängen von Untersu chungslicht L und Referenzlicht R im Bereich zwischen etwa 600 nm und etwa 1000 nm.

Das Untersuchungslicht L wird nun so in das Objekt 2 einge strahlt, daß es im wesentlichen nur den Fokusbereich F des Ultraschalls U durchläuft und nicht die umliegenden Bereiche des Objekts 2. Dazu ist die Strahlweite des Untersuchungs lichts L der Größe des Fokusbereichs F des Ultraschalls U entsprechend anzupassen. Die Mittel zum derartigen Bestrahlen des Objekts 2 enthalten den Lichtleiter 5 zum Übertragen des Untersuchungslichts L zum Objekt 2 und Richten des Untersu chungslichts L auf das Objekt 2. Als Lichtleiter 5 ist vor zugsweise eine optische Faser, vorzugsweise eine Mono-mode- Faser vorgesehen mit einem entsprechend kleinen Kerndurchmes ser von vorzugsweise zwischen etwa 2 µm und etwa 10 µm. Der Lichtleiter 5 steht vorzugsweise mit Mitteln 50 zum Bewegen des Lichtleiters relativ zum Objekt 2 in Wirkverbindung, um das aus dem Lichtleiter 5 austretende Untersuchungslicht L auf den Fokusbereich F des Ultraschalls U innerhalb des Ob jekts 2 ausrichten zu können. Anstelle des Untersuchungs lichtstrahls kann allerdings auch das Objekt 2 bewegt werden, um die zum Justieren des Untersuchungslichts L in Abhängig keit vom eingestellten Fokusbereich F des Ultraschalls U not wendige Relativbewegung zwischen Objekt 2 und Untersuchungs lichtstrahl zu erreichen.

In dem Fokusbereich F des Ultraschalls U wird das Untersu chungslicht L optisch phasenmoduliert. Das mit dem Ultra schall U im Fokusbereich F in Wechselwirkung getretene Unter suchungslicht L weist im wesentlichen Frequenzanteile mit Frequenzen f_L ± N·f_U mit der natürlichen Zahl N auf, d. h. zum einen die ursprüngliche Untersuchungslichtfrequenz f_L und zum anderen zu dieser Untersuchungslichtfrequenz f_L um ganzzah lige Vielfache der Trägerfrequenz f_U des Ultraschalls U ver schobene Frequenzanteile, wobei die Anteile mit N=1 überwie gen.

Zur Auswertung der in dem Objekt 2 bewirkten Phasenmodulation wird das Untersuchungslicht L nach Durchlaufen des Objekts 2 mit dem Referenzlicht R zur Interferenz gebracht und das ent standene Interferenzlicht I hinsichtlich seiner Amplitude oder Intensität ausgewertet. Diese Amplitude oder Intensität enthält Informationen über die optische Dämpfung des Untersu chungslichts L in dem Teil des Objekts 2, der im Fokusbereich F des Ultraschalls U liegt. Mit diesen Informationen erhält man somit einen Bildpunkt, der dem Abbild des im Fokusbereich F des Ultraschalls U liegenden Teils des Objekts 2 ent spricht.

Das durch den Fokusbereich F hindurchgetretene Untersuchungs licht L wird vorzugsweise zunächst in einen Lichtleiter 7 eingekoppelt. Dieser Lichtleiter 7 wird entweder, wie in der Fig. 1 dargestellt, von den Mitteln 50 mit dem Lichtleiter 5 mitbewegt beim Abtasten des Objekts 2, oder er bleibt ebenso wie der Lichtleiter 5 in Ruhe und das Objekt 2 wird bewegt. In beiden Fällen bleiben die beiden Lichtleiter 5 und 7 rela tiv zueinander ortsfest einander gegenüber angeordnet und es wird eine Relativbewegung zwischen den beiden Lichtleitern 5 und 7 und dem Objekt 2 erzeugt. Das in den Lichtleiter 7 ein gekoppelte Untersuchungslicht L wird mit dem Referenzlicht R dann vorzugsweise in einem Koppler 8 interferometrisch über lagert. Als Koppler 8 ist vorzugsweise ein faseroptischer Lichtleiterkoppler vorgesehen, in dem das über den Lichtlei ter 7 herangeführte Untersuchungslicht L und das über einen weiteren Lichtleiter 9 herangeführte Referenzlicht R inter ferometrisch überlagert werden. Als Koppler 8 kann allerdings auch ein Strahlteiler mit einem halbdurchlässigen Spiegel vorgesehen sein. Im Koppler 8 werden bei der interferometri schen Überlagerung von Untersuchungslicht L und Referenzlicht R zwei Interferenzlichtanteile I1 und I2 erzeugt, die im allgemeinen einen Phasensprung von π zueinander aufweisen. Diese beiden entstandenen Lichtanteile I1 und I2 werden je weils einem photoelektrischen Wandler 11A bzw. 11B zugeführt. Die beiden resultierenden, nicht näher bezeichneten elektri schen Signale an den jeweiligen Ausgängen der Wandler 11A und 11B werden vorzugsweise auf zwei Eingänge eines Differenzver stärkers 12 gelegt. Da die beiden elektrischen Signale unter schiedliche Vorzeichen aufweisen, steht am Ausgang des Diffe renzverstärkers 12 durch die Differenzbildung der beiden elektrischen Signale ein verdoppeltes Signal S an. Ein weite rer Vorteil dieser Ausführungsform mit Differenzverstärker 12 besteht darin, daß ein beispielsweise von dem Laser 40 er zeugtes Amplitudenrauschen durch die Gleichtaktunterdrückung des Differenzverstärkers 12 unterdrückt wird. Das Signal S des Differenzverstärkers 12 wird nun einem Lock-in-Detektor 13 zugeführt. Der Lock-in-Detektor 13 ist auf eine Frequenz eingestellt, die gerade der Frequenz der Amplitudenmodulation des Interferenzlichts I bzw. der Interferenzlichtanteile I1 und I2 entspricht und sich aus den gewählten Frequenzen f_U für den Ultraschall U, f_L für das Untersuchungslicht L und f_R für das Referenzlicht R ergibt. Bei vorab unmoduliertem Un tersuchungslicht L und Referenzlicht R wird der Lock-in-De tektor so eingestellt, daß er die mit der Trägerfrequenz f_U des Ultraschalls U modulierten Anteile des Signals S detek tiert.

Nun können jedoch das Untersuchungslicht L oder das Referenz licht R oder beide vor ihrer interferometrischen Überlagerung zusätzlich in ihrer Amplitude oder Phase jeweils mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz moduliert werden. Beispiels weise kann bereits das Laserlicht des Lasers 40 entsprechend moduliert sein oder Untersuchungslicht L und/oder Referenz licht R durch Modulatoren zusätzlich moduliert werden.

In der dargestellten vorteilhaften Ausführungsform wird das Referenzlicht R vor seiner interferometrischen Überlagerung mit dem Untersuchungslicht L mit einer Modulationsfrequenz f_M in seiner Phase oder Amplitude moduliert. Das Referenzlicht R weist nach dieser Modulation somit eine Referenzlichtfrequenz f_R′ auf, die gegenüber der ursprünglichen Referenzlichtfre quenz f_R um die Modulationsfrequenz f_M verschoben ist, d. h. f_R′ = f_R ± f_M. Zum Durchführen dieser Modulation des Refe renzlichts R ist ein Modulator 20 vorgesehen, beispielsweise ein elektrooptischer oder auch ein akustooptischer Modulator. Der Modulator 20 ist über den Lichtleiter 3 mit dem Koppler 42 und über den Lichtleiter 9 mit dem Koppler 8 optisch ver bunden. Die Modulationsfrequenz f_M wird vorzugsweise so ein gestellt, daß sie sich von der Trägerfrequenz f_U des Ultra schalls U um eine Frequenzdifferenz Δf unterscheidet, die be tragsmäßig deutlich kleiner, beispielsweise um einen Faktor 100 kleiner, als die Trägerfrequenz f_U ist. Diese Frequenz differenz Δf kann auch 0 sein, d. h. die Modulationsfrequenz f_M ist dann gleich der Trägerfrequenz f_U. Ein Vorteil dieser Modulation des Referenzlichts R besteht darin, daß die Aus wertung der Amplitude oder Intensität des interferierten Lichts I bei einer Frequenz vorgenommen werden kann, die deut lich geringer als die vergleichsweise hohe Ultraschallträger frequenz f_U ist. Der Lock-in-Detektor 13 wird dann auf die Frequenzdifferenz Δf eingestellt und filtert somit nur den mit dieser Frequenzdifferenz Δf modulierten Anteil des Si gnals S heraus, der dem nur durch den Fokusbereich F gelaufe nen Untersuchungslicht L entspricht.

Eine weitere Ausführungsform der Anordnung ist in Fig. 2 ge zeigt. In dieser Ausführungsform wird Untersuchungslicht L in das Objekt 2 eingestrahlt über einer Fläche, die größer und vorzugsweise deutlich größer als die Ausdehnung des Fokusbe reiches F des Ultraschalls U ist. Damit wird das Untersu chungslicht L nicht nur auf den Fokusbereich F innerhalb des Objekts 2, sondern auch auf einen Bereich des Objekts 2 um diesen Fokusbereich F gerichtet. Durch diese Maßnahmen er reicht man eine bessere Ausnutzung des Untersuchungslichts L und muß ferner bei einem Bewegen des Ultraschallstrahls U das Untersuchungslicht L nicht mitbewegen. Das Untersuchungslicht L kann sogar auf das ganze Objekt 2 eingestrahlt werden. Mit tel zum Erzeugen des kohärenten Untersuchungslichts L mit der Untersuchungslichtfrequenz f_L und des zum Untersuchungslicht L in einer festen Phasenbeziehung stehenden Referenzlichts R der Referenzlichtfrequenz f_R umfassen wieder einen Laser 40 und ferner einen Strahlteiler 43 mit einem halbdurchlässigen Spiegel zum Aufteilen des Laserlichts in einen Untersuchungs lichtstrahl L und einen Referenzlichtstrahl R. Der Untersu chungslichtstrahl L wird auf das Objekt 2 gerichtet, während der Referenzlichtstrahl R vorzugsweise durch Umlenken über einen Spiegel 23 dem Modulator 20 zugeführt wird und vom Mo dulator 20 mit der Modulationsfrequenz f_M moduliert wird. Das modulierte Referenzlicht R mit der modulierten Referenzlicht frequenz f_R′ = f_R ± f_M ist zur interferometrischen Überlage rung mit dem durch das Objekt 2 gelaufenen Untersuchungslicht L in einem dafür vorgesehenen räumlichen Interferenzbereich 80 vorgesehen. In diesem Interferenzbereich 80 ist ein Wand lerarray 14 mit mehreren einzelnen photoelektrischen Wandlern angeordnet. Mit diesem Wandlerarray 14 wird das bei der in terferometrischen Überlagerung von Untersuchungslicht L und Referenzlicht R entstehende räumlich ausgedehnte Interferenz muster ("Specklemuster") des Interferenzlichts I im Interfe renzbereich 80 detektiert. Das Wandlerarray 14 kann Bestand teil einer sogenannten Multi-Channel-Plate (MCP) sein. Die Größe der einzelnen Wandler des Wandlerarrays 14 ist der zu erwartenden Specklegröße, d. h. der räumlichen Ausdehnung der Intensitätsmaxima oder Intensitätsminima des Interferenz lichts I, angepaßt. Dem Wandlerarray 14 ist eine Ladungsaus leseeinrichtung 16, beispielsweise ein CCD (Charge-coupled device), zugeordnet zum Auslesen der vom Interferenzlicht I in den einzelnen Wandlern erzeugten Ladungen und dieser La dungsausleseeinrichtung 16 ist eine Auswerteeinheit 18 nach geschaltet. Der Auswerteinheit 18 wird ein Signal T zuge führt, das in sequentieller Folge den von den einzelnen Wand lern des Wandlerarrays 14 detektierten Lichtintensitäten ent spricht.

Das Specklemuster des Interferenzlichts I setzt sich nun im wesentlichen aus zwei Anteilen zusammen, einem statischen Specklemusteranteil und einem fluktuierenden Specklemusteran teil. Der statische Specklemusteranteil entsteht durch die interferometrische Überlagerung des Referenzlichts R mit dem durch den Fokusbereich F gelaufenen und damit vom Ultraschall U phasenmodulierten Untersuchungslichtanteil und beinhaltet somit die Informationen für den Bildpunkt, der dem im Fokus bereich F liegenden Objektteil entspricht. Der fluktuierende Specklemusteranteil entsteht dagegen durch die interferome trische Überlagerung des Referenzlichts R mit dem zwar durch das Objekt 2, jedoch nicht durch den Fokusbereich F des Ul traschalls gelaufenen Untersuchungslichtanteils. Dieser va riable Specklemusteranteil fluktuiert im wesentlichen mit der Modulationsfrequenz f_M, mit der das Referenzlicht R im Modu lator 20 moduliert wurde. Bei einer hinreichend großen Modu lationsfrequenz f_M in der Größenordnung der Ultraschallträ gerfrequenz f_U im Bereich von typischerweise einigen MHz er zeugt der fluktuierende Specklemusteranteil im zeitlichen Mittel über dem Wandlerarray 14 lediglich einen konstanten Untergrund, der vorzugsweise numerisch subtrahiert wird. Zur Bestimmung des Signalanteils von T, der die Informationen für den Bildpunkt enthält, werden bei unverändertem Fokusbereich F und unverändertem Untersuchungslicht L mindestens drei ver schiedene Specklemuster mit in seiner Phase jeweils um eine andere Phasendifferenz verschobenem Referenzlicht R erzeugt und ausgewertet. Dazu wird das Referenzlicht R vor der Inter ferenz mit dem Untersuchungslicht L in einem Phasenschieber 21 in seiner Phase um wenigstens drei verschiedene Werte ϕ_n mit n ε {1, 2, 3}, vorzugsweise um 0, π/2 und π, verschoben und die drei resultierenden Specklemuster des Interferenzlichts I vom Wandlerarray 14 nacheinander detektiert. Die entsprechen den Signale T am Ausgang der Ladungsausleseeinrichtung 16 werden von der Auswerteeinheit 18 ausgewertet. Bei der Aus wertung wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Phasenverschie bung des Referenzlichts R sich nur auf den ersten, statischen Specklemusteranteil, jedoch nicht auf den zweiten, fluktuie renden Specklemusteranteil auswirkt. Das Specklemuster läßt sich dabei vereinfacht als Überlagerung des auf die Phasen verschiebung unempfindlichen Anteils I2 und des empfindlichen Anteils I₁ cos(ϕ_c-ϕ_n) mit einem festen, aber im allgemeinen unbekannten Phasenwert ϕ_c beschreiben. Durch die Messung bei den wenigstens drei verschiedenen Phasenwerten ϕ_n ergibt sich ein Gleichungssystem, das für die intersessierende Größe I₁ gelöst wird. Durch die drei erhaltenen Specklemuster kann man den konstanten Untergrund des fluktuierenden Specklemuster anteils somit eindeutig von dem für die Bildinformationen ge wünschten statischen Specklemusteranteil trennen.

Wenn das Referenzlicht R nicht moduliert ist, d. h. f_M = 0, entspricht dagegen umgekehrt der statische Specklemusteran teil dem nicht durch den Fokusbereich F gelaufenen Untersu chungslicht L und der fluktuierende Specklemusteranteil ent hält die Informationen über den Bildpunkt, d. h. über das durch den Fokusbereich F gelaufene Untersuchungslicht L. Der fluktuierende Specklemusteranteil ist dann im wesentlichen mit der Trägerfrequenz f_U des Ultraschalls moduliert. Bei der Auswertung muß daher gerade umgekehrt zum gerade beschriebe nen Fall der fluktuierende Specklemusteranteil durch Subtrak tion des statischen Specklemusteranteils vom gesamten Speck lemuster, vorzugsweise wieder bei wenigstens drei verschiede nen Phasenverschiebungen des Referenzlichts R ermittelt und für den Bildpunkt ausgewertet werden.

Anstelle des Referenzlichts R kann natürlich auch das Unter suchungslicht L phasenverschoben werden. Außerdem können an stelle des Referenzlichts R auch das Untersuchungslicht L oder sowohl das Untersuchungslicht L als auch das Referenz licht R vor ihrer Interferenz moduliert werden.

Das beschriebene Auswerteverfahren ist insbesondere dann vor teilhaft, wenn die Mittel zum Auswerten der Intensität oder Amplitude des Interferenzlichts I eine Modulationsfrequenz des die Bildinformationen enthaltenden Anteils des Interfe renzlichts I nicht zeitlich auflösen können.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform können die Mittel zum Auswerten der Amplitude oder Intensität des Interferenzlichts I jedoch entsprechend ausgebildet werden, um einen auch mit einer hohen Modulationsfrequenz modulier ten, für die Bildpunktinformationen relevanten Anteil des In terferenzlichts I herauszufiltern. Beispielsweise kann ein Wandlerarray in dem Interferenzbereich 80 angeordnet werden und jedem der einzelnen Wandler des Arrays jeweils ein Lock in-Detektor oder sonstiger Frequenzfilter zugeordnet werden. Damit kann dann für jeden einzelnen Wandler der nur durch den Fokusbereich F des Ultraschalls U gelaufenen Anteil des Un tersuchungslichts L bestimmt und ausgewertet werden. Eine Phasenverschiebung oder eine Auswertung bei drei verschiede nen Phasenverschiebungen des Referenzlichts R ist somit nicht mehr erforderlich.

Mit jedem der bisher beschriebenen Verfahren und den zugehö rigen Anordnungen werden aus der Amplitude oder der Intensi tät des Interferenzlichts I bzw. I1 und I2 Informationen für einen Bildpunkt erhalten, der dem Abbild des im Fokusbereich F des Ultraschalls liegenden Teil des Objekts 2 entspricht. Will man einen größeren Bereich des Objekts 2 abbilden, so kann man das Objekt 2 mit dem fokussierten Ultraschall U ab tasten, d. h. den Fokusbereich F innerhalb des abzubildenden Bereichs des Objekts 2 bewegen und für jeden neuen Fokusbe reich F einen neuen Bildpunkt erhalten. Das Bild des abzubil denden Bereichs des Objekts 2 wird dann aus der Vielzahl der erhaltenen Bildpunkte zusammengesetzt. Der Ultraschallstrahl U kann dabei durch mechanisches Bewegen eines Ultraschallsen ders oder durch elektronische Ansteuerung eines Wandlerarrays als Ultraschallsender in beliebigen Richtungen bewegt und insbesondere geschwenkt oder linear verschoben werden.

Die Ortsauflösung bei diesem Abbildungsverfahren ist im we sentlichen durch die Ortsauflösung des Ultraschalls be stimmt. Ein besonderer Vorteil gegenüber herkömmlichen Abbil dungsverfahren mit Licht besteht darin, daß sowohl die late rale Ortsauflösung, d. h. die Ortsauflösung senkrecht zur Lichteinfallsrichtung als auch die Tiefenauflösung, d. h. die Ortsauflösung parallel zur Lichteinfallsrichtung, verbessert werden, da die Bewegung des fokussierten Ultraschalls U unab hängig vom Untersuchungslicht L ist und räumlich prinzipiell nicht beschränkt ist.

Durch Variation zumindest der Untersuchungslichtfrequenz f_L des eingestrahlten Untersuchungslichts L, beispielsweise durch Verwendung mehrerer Laser mit unterschiedlichen Wellen längen, die wahlweise eingeschaltet werden, oder einer in ih rer Wellenlänge durchstimmbaren Laserlichtquelle, kann ferner auch eine spektrale Information über das Objekt 2 erhalten werden. Eine solche spektrale Information ist besonders bei der Funktionsabbildung von Gewebe von Vorteil. Die Abbildung kann entweder sequentiell bei den unterschiedlichen Untersu chungslichtfrequenzen oder parallel durch spektral getrennte Lichtsignalführung erfolgen.

Claims

1. Verfahren zum Abbilden eines Objekts (2) mit Licht mit folgenden Merkmalen:

a) es werden Untersuchungslicht (L) und zum Untersuchungs licht (L) kohärentes Referenzlicht (R) erzeugt;
b) in das Objekt (2) wird auf einen Fokusbereich (F) inner halb des Objekts (2) fokussierter Ultraschall (U) mit einer vorgegebenen Trägerfrequenz (f_U) gesendet;
c) das Objekt (2) wird mit dem Untersuchungslicht (L) derart bestrahlt, daß zumindest ein Teil des Untersuchungslichts (L) durch den Fokusbereich (F) des Ultraschalls läuft;
d) das durch das Objekt (2) gelaufene Untersuchungslicht (L) wird mit dem Referenzlicht (R) interferometrisch überlagert;
e) durch Auswerten der Amplitude oder Intensität von aus der interferometrischen Überlagerung entstandenem Interferenz licht (I) werden Informationen für einen Bildpunkt erhalten, der dem Abbild des im Fokusbereich (F) liegenden Teils des Objekts (2) entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch Bewegen des Fo kusbereichs (F) des Ultraschalls (U) innerhalb des Objekts (2) eine Vielzahl von Bildpunkten zum Aufbau eines Bildes des Objekts (2) erhalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Fokusbereich (F) des Ultraschalls (U) in lateraler, d. h. in einer im wesent lichen senkrecht zu einer vorgegebenen Einfallsrichtung des Untersuchungslichts (L) gerichteten Ebene, bewegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Fokusbereich (F) des Ultraschalls (U) auch in einer im wesentlichen parallel zur Lichteinfallsrichtung des Untersuchungslichts (L) verlau fenden Richtung bewegt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Untersuchungslicht (L) im wesentlichen nur auf den Fokus bereich (F) im Objekt (2) gerichtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Untersuchungslicht (L) sowohl auf den im Fokusbereich (F) des Ultraschalls (U) liegenden Teil des Objekts (2) als auch auf umliegende Bereiche des Objekts (2) gerichtet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Referenzlicht (R) und/oder das Untersuchungslicht (L) vor ihrer interferometrischen Überlagerung jeweils mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenz (f_M) moduliert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Informationen für jeden Bildpunkt durch Herausfiltern desjenigen Anteils des Interferenzlichts (I) erhalten werden, der eine Modulation mit der Differenzfrequenz (Δf) zwischen der wenigstens einen Modulationsfrequenz (f_M) und der Trägerfrequenz (f_U) des Ul traschalls (U) aufweist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem wenigstens eine Modulationsfrequenz (f_M) so eingestellt wird, daß sie sich von der Trägerfrequenz (f_U) des Ultraschalls (U) um eine Fre quenzdifferenz (Δf) unterscheidet, die betragsmäßig kleiner als die Trägerfrequenz (f_U) ist.

10. Verfahren nach Anspruch 6 und einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem das Referenzlicht (R) vor der interferometrischen Überlagerung mit dem Untersuchungslicht (L) mit einer vorge gebenen Phasenverschiebung (Δϕ) in seiner Phase verschoben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Informationen für jeden Bildpunkt durch Auswerten der Intensität des bei der interferometrischen Überlagerung entstandenen Interferenz lichts (I) bei drei verschiedenen Phasenverschiebungen (Δϕ) des Referenzlichts (R) erhalten werden.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Untersuchungslicht (L) unterschiedlicher Lichtfrequenzen verwendet wird.

13. Anordnung zum Abbilden eines Objekts (2) mit Licht mit folgenden Merkmalen:

a) es sind Mittel (4) zum Erzeugen von Untersuchungslicht (L) und von zum Untersuchungslicht (L) kohärentem Referenzlicht (R) vorgesehen;
b) es sind Mittel (6) zum Senden von auf einen Fokusbereich (F) innerhalb des Objekts (2) fokussiertem Ultraschall (U) mit einer vorgegebenen Trägerfrequenz (f_U) vorgesehen;
c) es sind Mittel (4, 5) zum Bestrahlen zumindest des im Fo kusbereich (F) des Ultraschalls (U) liegenden Teils des Ob jekts (2) mit dem Untersuchungslicht (L) vorgesehen;
d) es sind Mittel (8) zum interferometrischen Überlagern zu mindest des durch den im Fokusbereich (F) des Ultraschalls (U) liegenden Teil des Objekts (2) gelaufenen Untersuchungs licht (L) mit dem Referenzlicht (R) vorgesehen;
e) es sind Mittel (10) zum Erhalten von Informationen für einen Bildpunkt, der dem Abbild des im Fokusbereich (F) lie genden Teils des Objekts (2) entspricht, durch Auswerten der Amplitude oder Intensität von aus der interferometrischen Überlagerung entstandenem Interferenzlicht (I) vorgesehen.

14. Anordnung nach Anspruch 13, bei der die Mittel (4) zum Erzeugen des Untersuchungslichts (L) und des Referenzlichts (R) einen Laser (40) und einen mit dem Laser (40) optisch ge koppelten Koppler (42) zum Aufteilen des Laserlichts des La sers (40) in zwei Anteile enthalten, wobei der erste Laser lichtanteil als Untersuchungslicht (L) und der zweite Laser lichtanteil als Referenzlicht (R) vorgesehen ist.

15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, bei der die Mittel zum Bestrahlen des Objekts (2) mit dem Untersuchungslicht (L) einen Lichtleiter (5) umfassen, um das Untersuchungslicht (L) im wesentlichen nur auf den Fokusbereich (F) im Objekt (2) zu richten.

16. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, bei der die Mittel zum Bestrahlen des Objekts (2) mit dem Untersuchungslicht (L) eine Freistrahlanordnung umfassen, um sowohl den im Fokusbe reich (F) liegenden Teil des Objekts (2) als auch umliegende Bereiche des Objekts (2) mit dem Untersuchungslicht (L) zu bestrahlen.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der die Mittel zur interferometrischen Überlagerung von Untersu chungslicht (L) und Referenzlicht (R) einen Lichtleiterkopp ler (8) umfassen.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei der a) die Mittel zur interferometrischen Überlagerung von Unter suchungslicht (L) und Referenzlicht (R) Mittel zum Richten des Untersuchungslichts (L) und des Referenzlichts (R) auf einen räumlichen Interferenzbereich (80) umfassen und b) die Mittel zum Auswerten der Amplitude oder der Intensität des Interferenzlichts (I) ein photoelektrisches Wandlerarray (14) umfassen, das in dem Interferenzbereich (80) angeordnet ist.