DE4208083C2

DE4208083C2 - Device for fluoroscopy of human tissue

Info

Publication number: DE4208083C2
Application number: DE19924208083
Authority: DE
Inventors: Walter G Wrobel; Michael Kaschke
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1992-03-13
Filing date: 1992-03-13
Publication date: 2003-04-10
Anticipated expiration: 2012-03-14
Also published as: DE4208083A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchleuchtung menschlichen Gewebes nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a device for fluoroscopy human tissue according to the preamble of claim 1.

Zur Durchleuchtung menschlicher Körperteile zu diagnostischen Zwecken sind eine Reihe von Vorrichtungen bzw. Verfahren bekannt. So werden seit längerem Röntgenstrahlen verwendet, um derartige Durchleuchtungen durchzuführen. Damit werden zwar gutkontrastierte Bilder des menschlichen Skelettaufbaus realisiert, jedoch ist die erreichbare Bildqualität bei der Detektion von Tumoren, z. B. in der Brustkrebs-Früherkennung, für eine sichere Diagnose oft nicht ausreichend. Insbesondere die mangelnde Kontrastierung zwischen verschiedenen zu unter suchenden Gewebearten macht diese Durchleuchtungsmethode für bestimmte Zwecke nur bedingt geeignet. Ein weiterer bedeuten der Nachteil bei der Verwendung von Röntgenstrahlung liegt in deren ionisierender Wirkung und der resultierenden Wechsel wirkung mit dem menschlichen Gewebe. Demzufolge sucht man seit längerem nach Untersuchungsmethoden bzw. geeigneten Vorrichtungen, die mit nicht-ionisierender elektromagneti scher Strahlung realisierbar sind und eine hinreichende Bild qualität für die Auswertung liefern.Diagnostic for screening of human body parts Purposes are a number of devices or methods known. So X-rays have been used for a long time, to perform such fluoroscopy. With that well-contrasted images of human skeletal structure realized, but the achievable image quality is at Detection of tumors, e.g. B. in breast cancer screening, often not sufficient for a reliable diagnosis. In particular the lack of contrast between different under searching tissue types makes this screening method for certain purposes only conditionally suitable. Another mean the disadvantage of using x-rays is their ionizing effect and the resulting change effect with human tissue. Accordingly, one searches for a long time according to examination methods or suitable Devices with non-ionizing electromagnetic shear radiation are realizable and a sufficient picture deliver quality for evaluation.

Eine hierzu geeignete Vorrichtung wird in der US 4 515 165 beschrieben. Hierbei wird elektromagnetische Strahlung aus dem sichtbaren und dem infraroten Spektralbe reich eingesetzt, um menschliches Gewebe zu untersuchen. Das zu untersuchende Gewebe wird dazu jeweils zwischen ein Emitter-Array und ein Detektor-Array eingebracht. Vorgesehen ist desweiteren ein Scan-Mechanismus, mit dem ein Lichtbündel über die Gewebe-Oberfläche geführt wird. Auf der dem Emitter- Array gegenüberliegenden Seite ist ein Detektor-Array vorge sehen, mit dessen Hilfe die transmittierte Intensität der elektromagnetischen Strahlung ortsabhängig registriert werden kann. Der Scan-Mechanismus wird dabei entweder mit Hilfe eines ablenkbaren Strahlbündels realisiert oder aber über mehrere gleichartige Emitter-Elemente und damit synchroni sierten Detektor-Elementen simuliert. Mit geeigneten bild gebenden Signalverarbeitungsverfahren wird ausgehend von den an den Detektoreinheiten registrierten Signalen ein Bild des durchstrahlten Gewebe-Volumens erzeugt. Dabei basiert dieses Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung auf dem Prinzip, daß eventuelle Tumore im Gewebe eine andere Transmissions- bzw. Absorptions-Charakteristik aufweisen, als das umliegende gesunde Gewebe. Als problematisch bei dieser Vorrichtung erweist sich jedoch, daß die elektromagnetische Strahlung im Gewebe jeweils stark gestreut wird. Dies hat zur Folge, daß nur ein geringer Teil der Strahlung tatsächlich geradlinig durch die Gewebeschichten transmittiert wird, während der größte Teil der Strahlung gestreut wird und das eigentlich interessierende Strahlungs-Signal überstrahlt. Es resultiert also ein ungünstiges Signal-Rausch-Verhältnis und damit ein schlechtes räumliches Auflösungsvermögen im Hinblick auf eventuell zu detektierende Tumore. Desweiteren ist ein rela tiv großer apparativer Aufwand erforderlich, um die beschrie bene Vorrichtung zu realisieren.A suitable device for this is in the US 4,515,165. This is electromagnetic Radiation from the visible and infrared spectral albums richly used to examine human tissue. The Tissue to be examined is between each Emitter array and a detector array introduced. Intended is also a scanning mechanism with which a light beam is guided over the fabric surface. On the emitter The opposite side of the array is a detector array see, with the help of the transmitted intensity of the electromagnetic radiation can be registered depending on the location can. The scanning mechanism is either using a deflectable beam or realized over several similar emitter elements and thus synchroni simulated detector elements. With suitable picture The signal processing method used is based on the signals registered at the detector units an image of the radiated tissue volume generated. This is based Method or the corresponding device based on the principle that any tumors in the tissue have a different transmission or have absorption characteristics than the surrounding one healthy tissues. As a problem with this device turns out, however, that the electromagnetic radiation in the Tissue is strongly scattered. This has the consequence that only a small part of the radiation is actually rectilinear is transmitted through the layers of tissue during the most of the radiation is actually scattered radiation signal of interest outshines. It results thus an unfavorable signal-to-noise ratio and thus a poor spatial resolution with regard to any tumors to be detected. Furthermore, a rela tiv large amount of equipment required to the described to implement this device.

Eine weitere Vorrichtung ist aus der US 4 945 239 bekannt. Auch dort werden verschiedene Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, die die eingangs erwähnten Nachteile vermeiden sollen. So werden verschiedene Scan-Vorrichtungen vorgeschla gen, die jeweils darauf ausgelegt sind, die im Gewebe erzeug te Streustrahlung bei der Detektion von der jeweils geradli nig transmittierten Strahlung zu separieren und dadurch ein möglichst günstiges Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. So wird z. B. vorgeschlagen: sowohl sende- als auch empfangsseitig eine sogenannte "Pinhole-Box" anzuordnen, die nur Strahlung auf den jeweiligen Detektor treffen läßt, die geradlinig durch das Gewebe transmittiert wird. Desweiteren wird der Einsatz von polarisations-optischen Elementen zu diesem Zweck vorgeschlagen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der sendeseitigen Anordnung eines Drehspiegels und dem sequentiellen Auslesen der Elemente des Detektor-Arrays. Weiterhin wird vorgeschlagen, vor und nach dem zu durchstrahlenden Körper teil Shutter anzuordnen und die Laufzeiten der transmittier ten Strahlung zu vergleichen mit der benötigten Laufzeit durch ein Referenz-Medium. Auch die in dieser Patentschrift beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren liefern nicht die erforderliche Bildqualität, insbesondere das erforderliche Signal-Rausch-Verhältnis, um eine Bildverarbeitung mit genü gend hoher Auflösung zu gewährleistet. Desweiteren ist auch bei den beschriebenen Vorrichtungen insbesondere detektor seitig ein ebenfalls relativ hoher hardware-mäßiger Aufwand erforderlich.Another device is known from US 4 945 239. There are also various methods and devices described, which avoid the disadvantages mentioned above should. Different scanning devices are proposed gene, each designed to produce in the tissue th scattered radiation in the detection of the straight nig transmitted radiation to separate and thereby a to achieve the best possible signal-to-noise ratio. So z. B. suggested: both transmitting and receiving to arrange a so-called "pinhole box" that only radiation can hit the respective detector, the straight line is transmitted through the tissue. Furthermore, the Use of polarization-optical elements for this purpose proposed. Another possibility is the transmission side Arrangement of a rotating mirror and the sequential Read the elements of the detector array. Will continue suggested before and after the body to be irradiated to arrange part shutter and the terms of the transmittier to compare the radiation with the required runtime through a reference medium. Even those in this patent The devices and methods described do not provide the required image quality, especially the required Signal-to-noise ratio for image processing with enough guaranteed high resolution. Furthermore is also in the described devices in particular detector on the other hand, also a relatively high amount of hardware required.

Aus der Veröffentlichung "Photons for prompt tumours detec tion" von R. Alfano et al. (in PHYSICS WORLD, Jan. 1992, Seite 37-40) sind ebenfalls Vorrichtungen bzw. Verfahren der eingangs beschriebenen Gattung bekannt. Dort wird be schrieben, wie ultrakurze Laser-Pulse im Sichtbaren bzw. nahen Infrarot zur Durchleuchtung eingesetzt werden. Hierbei wird die Trennung von vielfach gestreuten Photonen von gerad linig transmittierten Photonen dadurch erreicht, daß der jeweils verwendete Detektor innerhalb eines kurzen Zeitfen sters empfindlich ist. In diesem Zeitfenster sollen dann diejenigen Photonen registriert werden, die das durchstrahlte Gewebe geradlinig passiert haben. Zur Detek tion, d. h. der Realisierung des benötigten kurzen Zeitfen sters, wird in dieser Veröffentlichung eine elektrooptische Kerr-Zelle, die als Shutter dient, in Verbindung mit einer Video-Kamera bzw. eine Detektor-Anordnung mit einer Streak- Camera vorgeschlagen. Nachteilig bei den beschriebenen Vor richtungen ist ebenfalls der immense apparative Aufwand bei der Detektion der ultrakurzen Pulse bzw. der interessierenden Photonen.From the publication "Photons for prompt tumors detec tion "by R. Alfano et al. (in PHYSICS WORLD, Jan. 1992, Pages 37-40) are also devices or processes the genus described above is known. There will be wrote how ultrashort laser pulses in the visible or near infrared can be used for fluoroscopy. in this connection the separation of multiply scattered photons from straight linig transmitted photons that the used detector within a short time frame sters is sensitive. Then in this time window those photons are registered that the radiopaque tissue has passed in a straight line. To Detec tion, d. H. the implementation of the required short time frame sters, this publication will be an electro-optical Kerr cell, which serves as a shutter, in conjunction with a Video camera or a detector arrangement with a streak Camera suggested. A disadvantage of the described before directions is also the immense expenditure on equipment the detection of the ultrashort pulses or the ones of interest Photons.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor richtung zur Durchleuchtung menschlichen Gewebes mit nicht- ionisierender Strahlung zu schaffen, die eine hohe räumliche Auflösung bietet und die bildgebende Verarbeitung der regi strierten Signale ermöglicht. Der hierzu erforderliche appa rative Aufwand sollte dabei möglichst gering sein.It is therefore an object of the present invention to provide a front direction for the screening of human tissue with non- to create ionizing radiation that has a high spatial Offers resolution and the imaging processing of the regi signals. The appa required for this rative effort should be as low as possible.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der folgenden Unteransprüche.This object is achieved by a device with the Features of claim 1. Preferred embodiments are Subject of the following subclaims.

Zur Erzielung einer hohen räumlichen Auflösung wird das zu untersuchende Gewebe mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrich tung mit kohärenten Strahlungs-Pulsen mit Pulsbreiten im Bereich von Pikosekunden im Scan-Betrieb durchstrahlt. Die Intensität der transmittierten Strahlungspulse wird anschlie ßend zeitaufgelöst mit Hilfe geeigneter Detektoreinheiten registriert. Da die kurzen Strahlungspulse durch die verfol genden Vielfachstreuungen im Gewebe zeitlich stark verbrei tert werden, ist durch die zeitaufgelöste Detektion der zu erst eintreffenden Photonen bzw. der vordersten Pulsflanke eine definierte Registrierung derjenigen Photonen möglich die sich überwiegend geradlinig durch das Gewebe bewegt ha ben. Diese Photonen sind demnach diejenigen, die sich auch vornehmlich in Richtung der Einstrahlung bewegt haben. Die Detektion der vordersten Pulsflanke erfolgt über eine Detektoreinheit, die in einem einstellbaren - möglichst kur zen - Zeitfenster für die jeweiligen Strahlungspulse empfind lich ist. Hierzu geeignete Detektoreinheiten bzw. Verfahren zu deren Betrieb sind Gegenstand der Unteransprüche 10-20. Das Zeitfenster muß zudem mit den emittierten Strahlungs pulsen in fester Phasenbeziehung stehen. Das Realisieren des erforderlichen kurzen Zeitfensters im Piko-Sekunden-Bereich, sowie die Korrelation mit der Strahlungsquelle erfolgt vor zugsweise durch eine geeignete Modulation von Detektoreinheit und Strahlquelle. Da die unterschiedlichen Gewebearten auch unterschiedliche Transmissions- bzw. Absorptions-Charakteri stiken für die jeweiligen Strahlungspulse aufweisen, ist über eine entsprechende bildgebende Signalverarbeitung eine Unterscheidung zwischen verschiedenen Gewebearten möglich.To achieve a high spatial resolution, this becomes examining tissue using the device according to the invention device with coherent radiation pulses with pulse widths in the Illuminates the range of picoseconds in scan mode. The The intensity of the transmitted radiation pulses is then ßend time-resolved with the help of suitable detector units registered. Since the short radiation pulses from the multiple spreads in the tissue over time t is due to the time-resolved detection of the only arriving photons or the foremost pulse edge a defined registration of those photons is possible which mainly moved in a straight line through the fabric ben. These photons are therefore the ones that are also have mainly moved in the direction of the radiation. The Detection of the foremost pulse edge takes place via a Detector unit in an adjustable - if possible cure zen - time window for the respective radiation pulses is. Suitable detector units or methods for this for their operation are the subject of subclaims 10-20. The time window must also match the radiation emitted pulses are in a fixed phase relationship. Realizing the required short time window in the picosecond range, as well as the correlation with the radiation source preferably by suitable modulation of the detector unit and beam source. Because the different types of fabric too different transmission or absorption characteristics have stics for the respective radiation pulses is about a corresponding imaging signal processing a distinction possible between different types of fabric.

Das zu untersuchende Gewebe wird mittels einer geeigneten Scan-Vorrichtung derart abgetastet, daß während der Abtastung ein kollimierter Strahl parallel über das Gewebe verschoben wird. Wesentlich ist dabei, daß die Detektion der transmit tierten Strahlungspulse ebenfalls in einem Scan- oder Raster betrieb erfolgt, der mit dem Abtast-Scan-Betrieb synchroni siert wird. Mögliche Scan-Vorrichtungen sind Gegenstand der Unteransprüche 5 bis 8.The tissue to be examined is selected using a suitable Scanning device scanned in such a way that during the scanning a collimated beam is moved in parallel across the tissue becomes. It is essential that the detection of the transmit radiation pulses also in a scan or raster operation that is synchronized with the scan-scan operation is settled. Possible scanning devices are the subject of Subclaims 5 to 8.

Um die zeitaufgelöste Detektion der Pikosekunden-Pulse zu realisieren ist es weiterhin möglich, den Raum zwischen Gewe be und Scan-Vorrichtung bzw. Detektoreinheit mit einer Flüs sigkeit zu füllen, deren Brechungsindex in etwa dem des durchstrahlten Gewebes entspricht, um dort eine signalverfäl schende weitere Pulsverbreiterung zu verhindern.To allow time-resolved detection of the picosecond pulses it is still possible to realize the space between tissues be and scanning device or detector unit with a flow liquid whose refractive index is approximately that of the radiated tissue corresponds to a signal corruption there prevent further pulse broadening.

Als geeignete Strahlungsquellen für die erfindungsgemäße Vorrichtung kommen vorzugsweise Laser in Frage, die Strah lungs-Pulse mit Pulsbreiten in der Größenordnung von Δt_p kleiner gleich 50 ps liefern. Die dabei bevorzugten Wellen längen liegen im Spektralbereich zwischen 800 nm und 1300 nm. Die möglichen Laser-Puls-Leistungen können hierbei im Bereich weniger mW bis hin zu einigen W reichen. Hierfür geeignete Laser sind Gegenstand der Unteransprüche 2-4.Suitable radiation sources for the device according to the invention are preferably lasers which deliver radiation pulses with pulse widths in the order of magnitude of Δt _p less than or equal to 50 ps. The preferred wavelengths are in the spectral range between 800 nm and 1300 nm. The possible laser pulse powers can range from a few mW to a few W. Suitable lasers for this are the subject of dependent claims 2-4.

Neben der geringeren Strahlungsbelastung durch die Verwendung nicht-ionisierender Strahlung bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Reihe weiterer Vorteile. So ist im Vergleich zu bisher bekannten nicht-ionisierenden Durchleuchtungsver fahren eine erhebliche Steigerung der Auflösung möglich. Durch die Verwendung einer Avalanche-Photodiode als Detektor einheit resultiert des weiteren ein relativ geringer appara tiver Aufwand, d. h. hiermit ist ein besonders kostengünstiges System zu realisieren. Ein besonders geeignetes Verfahren zum Betrieb der Avalanche-Photodiode ist Gegenstand der Unteransprüche 14-16.In addition to the lower radiation exposure due to use The invention provides non-ionizing radiation Device a number of other advantages. That's how it is compared to previously known non-ionizing fluoroscopy drive a significant increase in resolution possible. By using an avalanche photodiode as a detector unity also results in a relatively small appara tive effort, d. H. this is a particularly inexpensive System. A particularly suitable method for Operation of the avalanche photodiode is the subject of the subclaims 14-16.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vor richtung bzw. mögliche Ausführungsformen ergeben sich aus der Beschreibung der nachfolgenden Ausführungsbeispiele anhand der Fig. 1 bis 4.Further advantages and details of the device according to the invention or possible embodiments result from the description of the following exemplary embodiments with reference to FIGS. 1 to 4.

Dabei zeigtIt shows

Fig. 1 die Pulsformen vor und nach dem Durchgang durch das zu untersuchende Gewebe; Figure 1 shows the pulse shapes before and after passage through the tissue to be examined.

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ßen Vorrichtung; Fig. 2 shows a first embodiment of the device according to the invention;

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ßen Vorrichtung; Fig. 3 shows a second embodiment of the device according to the invention;

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ßen Vorrichtung. Fig. 4 shows a third embodiment of the device according to the invention.

Anhand von Fig. 1 wird im folgenden das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Ein kurzer Strahlungspuls (10) mit einer mittleren Pulsbreite von etwa einer Pikosekunde trifft auf ein menschliches Körperteil (11). Die Photonen dieses Strahlungspulses (10) können nun das menschliche Gewebe (11) auf verschiedene Art und Weise durchqueren. Neben der möglichen Vielfachstreuung im Gewebe (11), veranschaulicht durch die gestrichelte Kurve (12), ist es möglich, daß einige Photonen dieses Strahlungspulses (10) das durchstrahlte Gewebe (11) auch annähernd geradlinig durch queren. Dies wird durch die gestrichelte Kurve (13) veran schaulicht. Der gesamte Strahlungspuls (10) wird somit beim Durchgang durch das menschliche Gewebe stark verbreitert. Es resultiert ein transmittierter Strahlungspuls (14) mit einer deutlich größeren Pulsbreite als vor dem Eintritt in das menschliche Gewebe (11). Innerhalb der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nun diejenigen Photonen zur Bilderzeugung herangezogen, die sich vornehmlich geradlinig durch das menschliche Gewebe (11) bewegt haben. Diese Photonen, bzw. die vorderste Pulsflanke, innerhalb eines Zeitintervalles Δt tragen genügend Informationen, um eine Bilderzeugung mit ausreichendem Kontrast zu gewährleisten. Im Hinblick auf die Anforderungen an die erfindungsgemäße Vorrichtung bedeutet dies, daß die verwendete Detektoreinheit innerhalb eines kurzen Zeitfensters Δt empfindlich sein muß. Dieses Zeit fenster Δt liegt dabei vorteilhafterweise ebenfalls im Pikosekunden-Bereich. Im folgenden werden bevorzugte Aus führungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung be schrieben, die nach dem eben geschilderten Prinzip arbeiten.The operating principle of the device according to the invention is explained below with reference to FIG. 1. A short radiation pulse ( 10 ) with an average pulse width of approximately one picosecond strikes a human body part ( 11 ). The photons of this radiation pulse ( 10 ) can now cross human tissue ( 11 ) in different ways. In addition to the possible multiple scattering in the tissue ( 11 ), illustrated by the dashed curve ( 12 ), it is possible that some photons of this radiation pulse ( 10 ) also cross the irradiated tissue ( 11 ) approximately in a straight line. This is illustrated by the dashed curve ( 13 ). The entire radiation pulse ( 10 ) is thus greatly broadened as it passes through human tissue. The result is a transmitted radiation pulse ( 14 ) with a significantly larger pulse width than before entering human tissue ( 11 ). Within the device according to the invention, those photons are now used for image generation that have primarily moved in a straight line through the human tissue ( 11 ). These photons, or the foremost pulse edge, within a time interval .DELTA.t carry enough information to ensure imaging with sufficient contrast. In view of the requirements for the device according to the invention, this means that the detector unit used must be sensitive within a short time window Δt. This time window Δt is advantageously also in the picosecond range. In the following, preferred exemplary embodiments of the device according to the invention are described, which work according to the principle just described.

In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen Vorrichtung schematisch dargestellt. Als Strahlquelle dient hierbei ein Laser (1), der Strahlungspulse mit mittle ren Pulsbreiten in der Größenordnung von Δt_p kleiner gleich 50 ps erzeugt. Hierfür können beispielsweise aktiv-moden synchronisierte Festkörperlaser (Nd: YAG) oder aber aktiv gütegeschaltete Halbleiterlaser sowie Farbstofflaser einge setzt werden. Die Wellenlänge der emittierten Strahlungspulse des Lasers (1) liegt vorzugsweise zwischen 800 und 1300 nm. Um das angestrebte günstige Signal-Rausch-Verhältnis bei der Detektion zu erreichen ist eine möglichst hohe Repetitionsra te des Lasers (1) nötig. Diese Repetitionsrate kann zwischen 10 MHz und etwa 3 GHz liegen. Die erforderlichen Pulsleistun gen des verwendeten Lasers (1) können zwischen wenigen mW bis hin zu einigen W betragen. Die vom Laser (1) emittierten Strahlungspulse gelangen zunächst auf ein drehbares Ablenk element (2), das Teil der Scan-Vorrichtung ist und im darge stellten ersten Ausführungsbeispiel als Drehspiegel rea lisiert ist. Dieser ist um eine Achse senkrecht zur Zeichen ebene definiert drehbar, d. h. neben geeigneten Winkel-En codern ist auch ein entsprechender Antriebsmotor für den Drehspiegel vorgesehen. Alternativ hierzu ist beispielsweise auch die Verwendung eines Polygon-Spiegels möglich. Dem Dreh spiegel ist ein optisches System (3) nachgeordnet, das eine fokussierende Wirkung hat und gewährleistet, daß die Strahlungspulse während der Abtastung parallel über eine definierte Abtastfläche verschoben werden und derart das zu untersuchende menschliche Körperteil (4) überstreichen. Nach dem Passieren des menschlichen Körperteiles (4) gelangen die Strahlungspulse auf ein zweites optisches System (5), das vorzugsweise die gleichen optischen Daten aufweist, wie das scan-seitige optische System (3). Das zweite, detektorseitig angeordnete optische System (5) fokussiert die transmittier ten Strahlungspulse auf eine Detektoreinheit (6). Diese er möglicht die zeitaufgelöste Detektion der auftretenden Strah lungspulse. Dabei liegt das Registrierungs-Zeitfenster, wie bereits vorher erwähnt, in der Größenordnung weniger Pikose kunden. Damit ist eine Selektion der geradlinig transmittier ten Photonen zum Streulicht möglich. Der Detektoreinheit (6) ist eine Auswerte- und Bildverarbeitungseinheit (7) nachge ordnet. Diese erzeugt anhand der registrierten Signale dar verwendeten Detektoreinheit ein Bild des durchstrahlten Kör perteiles (4) auf einem Display (8). Die Auswerte-Einheit (7) steuert weiterhin den Laser (1), den Drehspiegel (2) sowie die Detektoreinheit (6), um den synchronen Rasterbetrieb zu ermöglichen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist detek torseitig keine weitere Scan-Vorrichtung mehr erforderlich, da durch das zweite optische System (5) das gesamte transmit tierte Licht auf die Detektoreinheit (6) fokussiert wird. Die Auswerteeinheit (7) registriert in Verbindung mit dem aktuell registrierten Signal jeweils die aktuelle Stellung des Dreh spiegels, womit die Ortsauflösung gewährleistet ist.In Fig. 2, a first embodiment of the device according to the Invention is shown schematically. A laser ( 1 ) is used as the beam source, generating radiation pulses with average pulse widths in the order of magnitude of Δt _p less than or equal to 50 ps. For example, active-mode synchronized solid-state lasers (Nd: YAG) or actively Q-switched semiconductor lasers and dye lasers can be used for this purpose. The wavelength of the emitted radiation pulses of the laser ( 1 ) is preferably between 800 and 1300 nm. To achieve the desired signal-to-noise ratio in the detection, the highest possible repetition rate of the laser ( 1 ) is necessary. This repetition rate can be between 10 MHz and about 3 GHz. The required pulse powers of the laser ( 1 ) used can be between a few mW up to a few W. The radiation pulses emitted by the laser ( 1 ) first reach a rotatable deflection element ( 2 ), which is part of the scanning device and is implemented in the first exemplary embodiment illustrated as a rotating mirror. This can be rotated about an axis perpendicular to the plane of the drawing, ie, in addition to suitable angle encoders, a corresponding drive motor is also provided for the rotating mirror. As an alternative to this, the use of a polygon mirror is also possible, for example. The rotary mirror is followed by an optical system ( 3 ), which has a focusing effect and ensures that the radiation pulses are shifted in parallel over a defined scanning area during scanning and thus sweep over the human body part ( 4 ) to be examined. After passing through the human body part ( 4 ), the radiation pulses arrive at a second optical system ( 5 ), which preferably has the same optical data as the scan-side optical system ( 3 ). The second optical system ( 5 ) arranged on the detector side focuses the transmitted radiation pulses onto a detector unit ( 6 ). This enables time-resolved detection of the radiation pulses that occur. As previously mentioned, the registration time window is in the order of magnitude of fewer picotic customers. This makes it possible to select the rectilinearly transmitted photons for scattered light. The detector unit ( 6 ) is an evaluation and image processing unit ( 7 ) arranged. Based on the registered signals, the detector unit used generates an image of the body part ( 4 ) irradiated on a display ( 8 ). The evaluation unit ( 7 ) also controls the laser ( 1 ), the rotating mirror ( 2 ) and the detector unit ( 6 ) to enable synchronous raster operation. In the illustrated embodiment, no further scan device is required on the detector side, since the entire transmitted light is focused on the detector unit ( 6 ) by the second optical system ( 5 ). The evaluation unit ( 7 ) registers the current position of the rotating mirror in connection with the currently registered signal, which ensures the spatial resolution.

Die verwendeten optischen Systeme (3, 5) erfüllen vorzugswei se bestimmte Anforderungen, insbesondere sollte eine Pulsver breiterung durch die verwendeten optischen Systeme (3, 5) vermieden werden. In Frage kommen hierzu beispielsweise asphärische Hohlspiegel oder aber Fresnel-Linsen. Um eine weitere mögliche Ursache zur signalverfälschenden Pulsverbreiterung zu unterdrücken, ist es möglich, den Raum zwischen den beiden optischen Systemen (3, 5) und dem menschlichen Körperteil (4) mit einer Flüssigkeit zu füllen, deren Bre chungsindex in etwa dem des durchstrahlten Körperteiles (4) entspricht. Dies kann beispielsweise durch Eintauchen des zu durchstrahlenden Körperteiles (4) in ein Flüssigkeitsbad geschehen. Als mögliche Detektoreinheiten (6) kommen Micro- channel-plates, Streak-cameras, elektrooptische Zellen, schnelle Photodioden, sowie Elemente in Frage, die nicht- lineare optische Effekte ausnutzen.The optical systems ( 3 , 5 ) used preferably meet certain requirements, in particular a pulse broadening should be avoided by the optical systems ( 3 , 5 ) used. Aspherical concave mirrors or Fresnel lenses are suitable for this. In order to suppress another possible cause of the signal-distorting pulse broadening, it is possible to fill the space between the two optical systems ( 3 , 5 ) and the human body part ( 4 ) with a liquid whose refractive index is roughly the same as that of the irradiated body part ( 4 ) corresponds. This can be done, for example, by immersing the body part ( 4 ) to be irradiated in a liquid bath. Possible detector units ( 6 ) are micro-channel plates, streak cameras, electro-optical cells, fast photodiodes, and elements which take advantage of non-linear optical effects.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vor richtung wird anhand von Fig. 3 beschrieben. Eine geeignete Strahlquelle, z. B. ein Laser (101), emittiert erneut Strah lungspulse mit Pulsbreiten in der Größenordnung von wenigen Pikosekunden. Verwendet werden können hierzu prinzipiell die gleichen Laser-Typen wie im ersten Ausführungsbeispiel. Ein besonders kompaktes und wenig aufwendiges Gesamtsystem re sultiert bei der Verwendung einer Halbleiter-Diode als Strahlungsquelle, die Puls-Leistungen im Bereich weniger mW liefert. Die Strahlungspulse treffen auf ein optisches Ab lenkelement (102) z. B. einem Drehspiegel. Von dort gelangen sie auf ein erstes optisches System (103) mit fokussierender optischer Wirkung. Dieses gewährleistet in Kombination mit dem verwendeten optischen Ablenkelement (102), daß das zu durchstrahlende menschliche Körperteil (104) parallel abge tastet wird. über ein zweites optisches System (105) werden die transmittierten Strahlungspulse auf ein zweites optisches Ablenkelement (109), z. B. auf einen zweiten Drehspiegel fo kussiert. Über den zweiten Drehspiegel (109) gelangen die Strahlungspulse auf die Detektoreinheit (106). Durch die geeignete Synchronisation der beiden verwendeten optischen Ablenkelemente (102, 109) über die Auswerteeinheit (107) ist somit gewährleistet, daß zu jedem Zeitpunkt die Einstrahl richtung der Strahlungspulse relativ zum zu untersuchenden menschlichen Körperteil (104) bekannt ist. Anhand der in der Detektoreinheit (106) registrierten Signale wird über die Auswerteeinheit (107) und eine damit verbundene Bildver arbeitungseinheit auf einem separaten Monitor (108) ein Bild des durchstrahlten Körperteiles (104) dargestellt. Zur Rea lisierung des erforderlichen kurzen Zeitfensters der Detektoreinheit (106) wird in diesem Ausführungsbeispiel als Detektoreinheit (106) eine Avalanche-Photodiode eingesetzt. Diese registriert im synchronen Rasterbetrieb mit den Ablenk elementen (102, 109) der Scan-Vorrichtung die transmittierten Strahlungspulse. Wesentlich ist hierbei, daß die Betriebs spannung der Avalanche-Photodiode über einen geeigneten hochfrequenten Pulsgenerator, z. B. einen ECL-Pulsgenerator, innerhalb der Auswerteeinheit (107) moduliert wird. Erfolgt diese hochfrequente Modulation der Betriebsspannung der Avalanche-Photodiode im Bereich der Durchbruchsspannung, so ist durch die nicht-lineare Verstärkungs-Charakteristik der Avalanche-Photodiode eine zeitliche Torsetzung im ps-Bereich möglich. Durch die geeignete Variation des Betriebsspannungs hubes, d. h. der Modulations-Amplitude, ist es weiterhin möglich, sowohl das gesamte integrale Streusignal zu registrieren, als auch alternativ nur ein kurzes Zeitfenster zu realisieren. Über eine geeignete Differenzbildung der beiden Signale ist mit Hilfe der Auswerteeinheit ein günstiges Signal-Rausch-Verhältnis realisierbar. Die Aus werteeinheit (107) bzw. der eingesetzte Pulsgenerator modu liert desweiteren den verwendeten Laser (101). Dabei ist die Modulation des Lasers (101) sowie der Avalanche-Photodiode in einem relativ zueinander einstellbaren Phasenverhältnis zu realisieren. Zur Detektion ist es weiterhin möglich, die Betriebsspannungsmodulation der Avalanche-Photodiode mit etwas kleinerer oder aber größerer Frequenz als die Modu lation des Lasers (101) durchzuführen. Das interessierende Meßsignal kann dann als niederfrequentes Signal hinsichtlich Phase und Modulationsgrad untersucht werden. Zur Modulation des Lasers (101) sowie der Avalanche-Photodiode können prinzipiell auch zwei separate Pulsgeneratoren oder Frequenz- Synthesizer innerhalb der Auswerteeinheit (107) eingesetzt werden. Die Modulation von Laser (101) und Avalanche-Photodiode muß lediglich in einem definierten Phasenverhältnis erfolgen. Die Vorteile dieses Ausführungsbeispieles liegen insbesondere im einfachen und kompakten Aufbau sowie der kostengünstigen Detektoreinheit (106).Another embodiment of the device according to the invention is described with reference to FIG. 3. A suitable radiation source, e.g. B. a laser ( 101 ), emits radiation pulses again with pulse widths in the order of a few picoseconds. In principle, the same types of lasers as in the first exemplary embodiment can be used. A particularly compact and less complex overall system results when using a semiconductor diode as the radiation source, which delivers pulse powers in the range of a few mW. The radiation pulses hit an optical deflecting element ( 102 ) z. B. a rotating mirror. From there they arrive at a first optical system ( 103 ) with a focusing optical effect. In combination with the optical deflection element ( 102 ) used, this ensures that the human body part ( 104 ) to be irradiated is scanned in parallel. Via a second optical system ( 105 ), the transmitted radiation pulses are applied to a second optical deflection element ( 109 ), e.g. B. kissed fo on a second rotating mirror. The radiation pulses reach the detector unit ( 106 ) via the second rotating mirror ( 109 ). The suitable synchronization of the two optical deflection elements ( 102 , 109 ) used via the evaluation unit ( 107 ) thus ensures that the irradiation direction of the radiation pulses relative to the human body part ( 104 ) to be examined is known at all times. Using the signals registered in the detector unit ( 106 ), an image of the irradiated body part ( 104 ) is displayed on the evaluation unit ( 107 ) and an image processing unit connected to it on a separate monitor ( 108 ). To implement the required short time window of the detector unit ( 106 ), an avalanche photodiode is used as the detector unit ( 106 ) in this exemplary embodiment. This registers the transmitted radiation pulses in synchronous raster operation with the deflection elements ( 102 , 109 ) of the scanning device. It is essential here that the operating voltage of the avalanche photodiode via a suitable high-frequency pulse generator, for. B. an ECL pulse generator is modulated within the evaluation unit ( 107 ). If this high-frequency modulation of the operating voltage of the avalanche photodiode takes place in the range of the breakdown voltage, then the non-linear amplification characteristic of the avalanche photodiode enables a time setting in the ps range. By suitable variation of the operating voltage swing, ie the modulation amplitude, it is also possible to register both the entire integral scatter signal and alternatively to realize only a short time window. A suitable signal-to-noise ratio can be achieved with the aid of the evaluation unit by means of a suitable difference formation between the two signals. The evaluation unit ( 107 ) or the pulse generator used also modulates the laser ( 101 ) used. The modulation of the laser ( 101 ) and the avalanche photodiode can be implemented in a phase ratio that can be set relative to one another. For detection, it is also possible to carry out the operating voltage modulation of the avalanche photodiode with a slightly lower or, however, higher frequency than the modulation of the laser ( 101 ). The measurement signal of interest can then be examined as a low-frequency signal with regard to phase and degree of modulation. In principle, two separate pulse generators or frequency synthesizers can also be used within the evaluation unit ( 107 ) to modulate the laser ( 101 ) and the avalanche photodiode. The modulation of laser ( 101 ) and avalanche photodiode only has to take place in a defined phase relationship. The advantages of this exemplary embodiment lie in particular in the simple and compact construction and the inexpensive detector unit ( 106 ).

Ein drittes mögliches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä ßen Vorrichtung wird anhand von Fig. 4 dargestellt. Detek torseitig wird hierbei erneut eine Avalanche-Photodiode als Detektoreinheit (206) eingesetzt, die ebenso betrieben wird wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Die von einem geeigneten Laser (201) emittierten Strahlungspulse werden über einen Lichtleiter (202) zu einer ersten Glasplatte (203) geleitet. Zwischen dieser ersten Glasplatte (203) und einer weiteren, zweiten Glasplatte (205) befindet sich das zu untersuchende menschliche Körperteil (204). Das von der Detektoreinheit (206) registrierte Signal wird ebenfalls über einen Lichtleiter (207) zur Auswerteeinheit (208) geleitet. Die Auswerteeinheit (208) und die damit verbundene Bildver arbeitungseinheit übernehmen in dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung die gleiche Funktion wie im vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel, insbesondere die Steuerung der eingesetzten Avalanche-Photodiode und deren synchronen Betrieb mit dem verwendeten Laser (201). Der Scan- Betrieb wird in diesem Ausführungsbeispiel derart realisiert, daß der verwendete Lichtleiter (202) mit eventuell nötiger Fokussieroptik senkrecht zur ersten Glasplatte (203) mit einer geeigneten Scan-Mechanik rasterförmig verschoben wird. Die Verschiebung wird dabei über die Auswerteeinheit (208) gesteuert. Synchron zur Verschiebung des ersten Lichtleiters (202) wird die Detektoreinheit (206), d. h. die Avalanche- Diode, zusammen mit dem zweiten Lichtleiter (207) verschoben, was ebenfalls über die Auswerteeinheit (208) gesteuert wird.A third possible exemplary embodiment of the device according to the invention is illustrated with reference to FIG. 4. On the detector side, an avalanche photodiode is again used as the detector unit ( 206 ), which is operated in the same way as in the previous exemplary embodiment. The radiation pulses emitted by a suitable laser ( 201 ) are conducted via a light guide ( 202 ) to a first glass plate ( 203 ). The human body part ( 204 ) to be examined is located between this first glass plate ( 203 ) and a further, second glass plate ( 205 ). The signal registered by the detector unit ( 206 ) is also passed via an optical fiber ( 207 ) to the evaluation unit ( 208 ). In this embodiment of the device according to the invention, the evaluation unit ( 208 ) and the associated image processing unit perform the same function as in the previously described embodiment, in particular the control of the avalanche photodiode used and its synchronous operation with the laser ( 201 ) used. In this exemplary embodiment, the scanning operation is implemented in such a way that the light guide ( 202 ) used, with any necessary focusing optics, is displaced in a grid pattern perpendicular to the first glass plate ( 203 ) using a suitable scanning mechanism. The shift is controlled by the evaluation unit ( 208 ). The detector unit ( 206 ), ie the avalanche diode, is displaced together with the second light guide ( 207 ) synchronously with the displacement of the first light guide ( 202 ), which is also controlled by the evaluation unit ( 208 ).

Bevorzugte Verwendung findet die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Brustkrebs-Früherkennung, wo deren Einsatz anstelle der herkömmlichen Röntgen-Durchleuchtungs-Vorrichtungen mög lich ist.The device according to the invention is preferably used in breast cancer screening where it is used instead the conventional X-ray fluoroscopy devices possible is.

Claims

1. Device for fluoroscopy of human tissue with non-ionizing electromagnetic radiation with at least one radiation source ( 1 ; 101 ; 201 ), at least one detector unit ( 6 ; 106 ; 206 ), one or more evaluation units ( 7 ; 107 ; 208 ) connected to the detector unit ) and an image processing unit including display ( 8 ; 108 ; 209 ),
wherein the radiation source ( 1 ; 101 ; 201 ) emits radiation pulses and wherein the detector unit ( 6 ; 106 ; 206 ) after the passage of the electromagnetic radiation through the tissue ( 4 ; 104 ; 204 ) a time-resolved registration of the intensity of the transmitted radiation Pulse allowed, and
wherein the evaluated tissue and ( 4 ; 104 ; 204 ) are shown on the display ( 8 ; 108 ; 209 ) via the evaluation unit and the image processing unit based on the registered signals,
characterized by
that a scanning device ( 3 ; 103 ) is provided,
that the radiation reaches the tissue to be examined ( 4 ; 104 , 204 ) via the scanning device ( 3 ; 103 ) and
the detector unit ( 6 ; 106 ; 206 ) is synchronized with the scanning device ( 3 ; 103 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the pulse widths of the emitted radiation pulses in the pico seconds range.

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that a laser is provided as the radiation source ( 1 , 101 , 201 ), which emits in the infrared spectral range between 800 and 1300 nm.

4. The device according to claim 3, characterized in that an actively Q-switched semiconductor laser is provided as radiation source ( 1 , 101 , 201 ).

5. The device according to claim 1, characterized in that between the radiation source ( 1 , 101 , 201 ) and the tissue to be examined ( 4 , 104 , 204 ) as part of the scanning device at least one defined rotatable deflection element ( 2 , 102 ) is arranged, which is followed by an optical system ( 3 , 103 ) with a collecting optical effect for focusing the electromagnetic radiation on the human tissue ( 4 , 104 ) to be examined.

6. The device according to claim 5, characterized in that between the fluoroscopic tissue ( 4 , 104 ) and the detector unit ( 6 , 106 , 206 ) as part of the scanning device a defined rotatable deflection element ( 109 ) is hen, and a Defined coupling between the rotary movements of the two deflection elements ( 102 , 109 ) and the detector unit ( 106 ) via the evaluation unit ( 107 ).

7. The device according to claim 1, characterized in that an optical system ( 5 , 105 ) with collecting the optical effect between the human tissue ( 4 , 104 ) and the detector unit ( 6 , 106 , 206 ) is arranged on the detector side.

8. The device according to claim 1, characterized in that the tissue to be examined ( 204 ) between two trans parente plates ( 203 , 205 ) is arranged and the transmitting-side scanning device, the exit surface of a light guide ( 202 ) in the scanning operation a plate ( 203 ) leads, the radiation pulses being coupled into the light guide ( 202 ) used.

9. The device according to claim 1, characterized in that the tissue to be examined ( 204 ) between two trans parent plates ( 203 , 205 ) is arranged and the detector-side scanning device, a detector unit ( 206 ) in synchronism with the transmitting-side scanning device in a grid shape a plate ( 205 ) leads through which the radiation pulses emerge and the detector unit ( 206 ) is followed by a further light guide ( 207 ) via which the registered signals reach the evaluation unit ( 208 ).

10. The device according to claim 5, 6 or 7, characterized in that the space between the respective optical systems ( 3 , 103 ; 5 , 105 ) and the human tissue to be examined ( 4 , 104 ) with both the scan side and the detector side a liquid is filled, the refractive index of which corresponds approximately to that of the human tissue ( 4 , 104 ) radiated through.

11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a detector unit ( 6 , 106 , 206 ) is provided, which is sensitive in a variable time window for the emitted radiation pulses, both the absolute duration of the time window and the relative relationship of the time window to the emitted radiation pulses is adjustable.

12. The apparatus according to claim 1, characterized in that an avalanche photo diode is used as the detector unit ( 6 , 106 , 207 ), which registers the transmitted radiation pulses in synchronous raster operation with the scanning device.

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that at least one modulation device is provided, the operating voltage of the avalanche photodiode in such a way modulates that an adjustable time window regarding the registered sensitivity results and further modulation of the beam source used is possible is, this modulation in a defined and adjustable phase relationship for modulation of the Be drive voltage of the avalanche photodiode.

14. The apparatus according to claim 12, characterized in that the operating voltage of the Avalanche photodiode is modulated at high frequency in the breakdown voltage range and at the same time a modulation of the Radiation source takes place.

15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the modulation of the Avalanche photodiode and the radiation source with slightly different frequency he follows.

16. The apparatus of claim 14 or 15, characterized in that the avalanche photodiode is operated with temporally different modulation amplitudes and a difference is formed between the registered signals of different time windows via the evaluation unit ( 106 ).

17. Device according to one of the preceding An sayings, characterized in that as a detector unit a micro-channel plate is provided.

18. Device according to one of the preceding Claims, characterized in that as a detector a streak camera is provided.

19. Device according to one of the preceding Claims, characterized in that as a detector units one or more electro-optical cells Connection with spatially resolving detectors is provided are.

20. Device according to one of the preceding Claims, characterized in that for the detection of transmitted electromagnetic radiation elements serve the non-linear optical effects for detection exploit.