DE4445214A1 - System for on=line 3=dimensional fluorescent tomography - Google Patents
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Abstract
Description
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Fluoreszenzzentren in trüben Medien bei vergleichsweise geringem Aufwand zu schaffen. Bei ähnlicher aufgabengemäßer Grundlösung sollen verschiedene Vorrichtungsausführungen als Baugruppen die Skalierung der Fluoreszenzstrahlung mittels der Rückstreuung der Anregungsstrahlung und die tomographische Rekonstruktion von Fluoreszenzbildern gestatten. Anwendungsfelder stellen u. a. typischerweise die labormäßige als auch die verfahrenstechnische Analytik sowie die medizinische Diagnostik mittels körpereigener als auch angereicherter Fluoreszenzfarbstoffe dar.The invention has for its object a device for determining the spatial Distribution of fluorescence centers in cloudy media with comparatively little effort to accomplish. With a similar basic solution according to the task, different ones should be used Device designs as assemblies using the scaling of the fluorescent radiation the backscattering of the excitation radiation and the tomographic reconstruction of Allow fluorescence images. Areas of application a. typically the Laboratory as well as procedural analysis and medical diagnostics using the body's own and enriched fluorescent dyes.
Es ist bekannt, daß die Intensität der Fluoreszenzstrahlung mit der Konzentration des Fluorophors im bestrahlten Volumen ansteigt. Bei Medien mit unveränderlichen optischen Eigenschaften und Brechungsindices wird durch Eichung oder Modellierung die Konzentration zur Intensität skaliert.It is known that the intensity of the fluorescent radiation with the concentration of Fluorophore increases in the irradiated volume. For media with unchangeable optical Properties and refractive indices are determined by calibration or modeling Concentration scaled to intensity.
Unabhängig davon, ob eine Faser oder ein flächenförmiger Detektor zur Registrierung der Fluoreszenzstrahlung verwendet wird, war es bisher nicht möglich, mit einfachen Methoden (kontinuierliche Bestrahlung und Detektion im Unterschied zur erheblich aufwendigeren zeitaufgelösten Methode) Informationen über die Entfernung der Floureszenzzentren zum Detektor zu erhalten. Bekannte Anordnungen sind lediglich dazu geeignet, die Konzentration des Fluorophors als Mittelwert über das gesamte angeregte Volumen zu messen. Eine räumliche Darstellung der Fluoreszenzverteilung in streuenden Medien ist nicht möglich.Regardless of whether a fiber or a flat detector for registering the Fluorescence radiation is used, it was previously not possible with simple methods (Continuous radiation and detection in contrast to the considerably more complex time resolved method) information about the distance of the fluorescence centers to the Get detector. Known arrangements are only suitable for the Concentration of the fluorophore as an average over the entire excited volume measure up. A spatial representation of the fluorescence distribution in scattering media is not possible.
Des weiteren tritt durch veränderliche optische Eigenschaften des Mediums eine Störung des Fluoreszenzsignals auf.Furthermore, a disturbance occurs due to changing optical properties of the medium of the fluorescence signal.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von Detektoren unterschiedlicher Querschnitte und verschiedener numerischer Aperturen die gemessene Intensität der Fluoreszenzstrahlung prozentual unterschiedlich auf Fluoreszenzzentren verschiedener Entfernungen verteilt ist.Surprisingly, it has been shown that when using detectors different cross sections and different numerical apertures the measured Intensity of the fluorescence radiation in percent different on fluorescence centers is distributed at different distances.
Des weiteren sind die Veränderung der Rückstrahlintensität des Anregungslichtes Informationen über veränderte optische Eigenschaften und optische Ankopplungsbedingungen enthalten. Furthermore, the change in the retroreflective intensity of the excitation light Information about changed optical properties and optical Coupling conditions included.
Erfindungsgemäß wird das zu untersuchende trübe Medium, das sowohl fester, flüssiger als auch gasförmiger Natur sein kann, durch eine Quelle bekannter Geometrie mit Licht einer oder mehrerer Wellenlängen angeregt.According to the invention, the cloudy medium to be examined is both solid and liquid can also be gaseous in nature, through a source of known geometry with light or more wavelengths excited.
Die Anregungsstrahlung sowie die Fluoreszenzstrahlung werden von einer prinzipiell beliebigen Anzahl von Detektoren mit prinzipiell beliebiger individueller Konfiguration (z. B. CCD-Kameras oder einzelne Fasern bzw. Faserbündel) sowohl in Remission als auch, wenn möglich, in Transmission registriert. Die Vorrichtung gestattet die Wiederholung der Prozedur bei jeder bekannten Positionierung der Anregungsquelle und der Detektoren, wobei die Detektoranordnung nicht immer starr mit der Anregungsanordnung verbunden ist. Erfindungsgemäß wird die Tatsache genutzt, daß sowohl durch den Querschnitt des Detektors als auch durch seinen Öffnungswinkel (numerische Apertur) eine Selektivität in der räumlichen Entfernung der detektierten Strahlung gezielt erreicht wird. Die gesamte Intensität der Fluoreszenzstrahlung setzt sich damit additiv aus Anteilen zusammen, die von Fluoreszenzzentren unterschiedlicher Entfernung ausgehen.The excitation radiation as well as the fluorescence radiation are of one principle any number of detectors with basically any individual configuration (e.g. CCD cameras or individual fibers or fiber bundles) both in remission and if possible, registered in transmission. The device allows repetition of the Procedure for any known positioning of the excitation source and the detectors, wherein the detector arrangement is not always rigidly connected to the excitation arrangement. According to the invention the fact is used that both by the cross section of the Detector as well as its selectivity in its opening angle (numerical aperture) the spatial distance of the detected radiation is specifically achieved. The whole The intensity of the fluorescence radiation is thus additively composed of portions of Fluorescence centers go out at different distances.
Eine Trennung dieser Anteile und damit eine Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Konzentration des Fluorophors erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß durch Eichung an Phantomen oder durch numerische Simulationen der Zusammenhang zwischen Konzentration und Fluoreszenzintensität festgestellt wird.A separation of these parts and thus a reconstruction of the spatial distribution of the According to the invention, the concentration of the fluorophore takes place in that by calibration Phantoms or by numerical simulations the relationship between Concentration and fluorescence intensity is determined.
Mathematisch wird dieser Sachverhalt wie folgt beschrieben. Seien Ii die Gesamtintensitäten der Fluoreszenzstrahlung, die vom i-ten Detektor mit einem bestimmten Öffnungsquerschnitt und einer bestimmten Apertur in einer bestimmten Entfernung registriert werden. Diese Intensitäten setzen sich additiv aus Anteilen zusammen, die aus unterschiedlichen räumlichen Entfernungen 1, 2, . . . , n stammen bzw. direkt veschiedenen Voxeln im fluoreszierenden Medium zugeordnet werden können:This is described mathematically as follows. Let I i be the total intensities of the fluorescence radiation that are registered by the i-th detector with a specific opening cross-section and a specific aperture at a specific distance. These intensities are additively composed of parts that come from different spatial distances 1, 2,. . . , n originate or can be assigned directly to different voxels in the fluorescent medium:
Ii = Ii,,1 + Ii,,2 + . . . Ii,,n.I i = I i ,, 1 + I i ,, 2 +. . . I i ,, n .
Diese einzelnen Anteile der Intensität verhalten sich in weiten Bereichen zur Konzentration des Fluorophors proportional:These individual portions of the intensity relate to concentration in a wide range proportional to the fluorophore:
Ii,k = gi,k · ck.I i, k = g i, k · c k .
Die Gewichte g sind dabei sowohl abhängig von der Geometrie der Quelle und des Detektors als auch von der Entfernung zum Fluoreszenzzentrum. Sie können empirisch durch Eichung an Phantomen oder durch Modellrechnungen bestimmt werden. Durch Kombination beider Gleichungen entsteht ein Gleichungssystem, welches die Intensitäten mit den Konzentrationen verknüpft:The weights g are dependent on the geometry of the source and the Detector as well as the distance to the fluorescence center. You can be empirical be determined by calibration on phantoms or by model calculations. By Combining both equations creates a system of equations, which is the intensities linked to the concentrations:
Dabei ist der Vektor der Intensitäten aus unterschiedlichen Detektoren, die bekannte Matrix der Gewichte und der Vektor der Konzentrationen in unterschiedlichen Entfernungen bzw. Volumenelementen.The vector of the intensities from different detectors is the known one Matrix of weights and vector of concentrations in different Distances or volume elements.
Erfindungsgemäß soll die Anzahl der gewählten diskreten räumlichen Entfernungen die der unterschiedlich konfigurierten Anordnungen nicht überschreiten, so daß das lineare Gleichungssystem bestimmt bzw. überbestimmt ist. Im ersten Fall ist die Lösung eindeutig. Singularitäten sind vom praktischen Standpunkt nicht relevant, da im Interesse der Stabilität der Lösungen die räumliche Unterteilung immer so gewählt werden kann, daß eine Nachbarschaft zu solchen Punkten nicht eintritt.According to the invention, the number of selected discrete spatial distances should be of the differently configured arrangements, so that the linear System of equations is determined or over-determined. In the first case, the solution is clear. Singularities are not relevant from a practical point of view because they are in the interest of stability the solutions the spatial subdivision can always be chosen so that a Neighborhood does not occur at such points.
Bei Wahl einer geringeren Auflösung (Dimension des Vektors kleiner als die des Vektors können die im Sinne des Rekonstruktionsalgorithmus überzähligen Meßwerte mit Hilfe statistischer Methoden zur Rauschunterdrückung verwendet werden.If a lower resolution is selected (dimension of the vector smaller than that of the vector can with the help of the superfluous measurement values in the sense of the reconstruction algorithm statistical methods for noise reduction can be used.
Außerhalb des linearen Bereiches können quadratische und Abhängigkeiten höherer Ordnung ebenfalls in die Rekonstruktion der räumlichen Fluorophorverteilung einbezogen werden:Outside the linear range, quadratic and dependencies can be higher Order also included in the reconstruction of the spatial fluorophore distribution will:
Ii,k = g¹i,k · ck + g²i,k · (ck)² + . . .I i, k = g¹ i, k · c k + g² i, k · (c k ) ² +. . .
Die Gewichte höherer Ordnung g² etc. sind empirisch zu bestimmen. Das so entstehende neue Gleichungssystem wird ebenfalls mit bekannten Methoden der numerischen Mathematik invertiert.The higher order weights g² etc. are to be determined empirically. The resulting new system of equations is also using known methods of numerical Math inverted.
Es sollen sowohl technische Realisierungen betrachtet werden, die durch einzelne Detektoren physikalisch als auch nach Registrierung mit großen Aperturen synthetisch erzeugt werden. Dabei ist es gleichgültig, ob mehrere Detektoren gleichzeitig oder ein Detektor unterschiedlich positioniert und ausgerichtet und zeitlich nacheinander zur Messung verwendet wird, solange nur die einzelnen Positionen mit denjenigen in der Eichmatrix festgelegten Positionen übereinstimmen.Both technical realizations by individual Detectors physically as well as synthetic after registration with large apertures be generated. It does not matter whether several detectors are used simultaneously or one Detector positioned and aligned differently and one after the other Measurement is used as long as only the individual positions with those in the Positions defined in the calibration matrix match.
Somit ist es möglich, quantitativ aus den Intensitäten die Konzentrationsanteile gemäß einer gewählten Auflösung zu rekonstruieren. Die maximale Auflösung ist dabei durch Zahl der insgesamt (faktisch oder synthetisch) realisierten Detektoren bestimmt.It is thus possible to quantitatively determine the concentration proportions from the intensities reconstruct selected resolution. The maximum resolution is by number of total detectors (factually or synthetically) determined.
Die aufwendige Technik der Separation von Laufzeiteffekten mit Hilfe von Korrelationsmethoden wird so durch eine einfache Methode ersetzt.The complex technique of separating runtime effects with the help of Correlation methods are thus replaced by a simple method.
Des weiteren beeinflussen die optischen Eigenschaften sowohl die Ausbreitung der Anregungs- als auch der Fluoreszenstrahlung. Wiederum können durch Eichung an Phantomen oder Modellrechnungen der Einfluß von räumlichen oder zeitlichen Schwankungen dieser Parameter zur Korrektur der Skalierung der Konzentration des Fluorophors über den Fluoreszenzintensität bestimmt werden. Furthermore, the optical properties influence both the spread of the Excitation as well as fluorescence radiation. In turn, can by calibration Phantoms or model calculations the influence of spatial or temporal Fluctuations in these parameters to correct the scaling of the concentration of the Fluorophors can be determined via the fluorescence intensity.
In einem bevorzugten Anwendungsbeispiel werden deshalb in einem Faserbündel sowohl die rückgestreute Anregungsstrahlung als auch die Fluoreszenzstrahlung bei einer oder mehreren Anregungswellenlängen mit einer beliebigen Anzahl von optischen Fasern bekannter numerischer Apertur registriert. Diese Signale werden einzeln ausgelesen und in einer zentralen Verarbeitungseinheit ausgewertet.In a preferred application example, therefore, both in a fiber bundle the backscattered excitation radiation as well as the fluorescence radiation at one or multiple excitation wavelengths with any number of optical fibers known numerical aperture registered. These signals are read out individually and in evaluated by a central processing unit.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel werden mittels einer räumlich frei positionierbaren Quelle und einer oder mehreren frei positionierbaren Kameras (flying optics) mit veränderlichem Öffnungsquerschnitt (Motorblende) in prinzipiell beliebig vielen Konfigurationen die verschiedenen Intensitäten registriert. Diese Signale werden einzeln ausgelesen und in einer zentralen Verarbeitungseinheit auch hinsichtlich synthetisch erzeugter Aperturen ausgewertet.In a further application example, a spatially freely positionable Source and one or more freely positionable cameras (flying optics) with variable opening cross-section (engine cover) in principle any number Configurations registered the different intensities. These signals are individual read out and in a central processing unit also with regard to synthetic generated apertures evaluated.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are described below together with the description of exemplary embodiments of the Invention illustrated with reference to the figures.
Es sindThere are
Fig. 1a und b: Eine schematische Darstellung der Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung einschließlich der Anordnung der Baugruppen zur Anfertigung von tomographischen Rekonstruktionen. 1a and b. A schematic representation of the applications of the device according to the invention including the arrangement of modules for the production of tomographic reconstructions.
Fig. 2: Eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einer Ausführungsform. Fig. 2: A schematic representation of the device in one embodiment.
Fig. 3: Eine schematische Darstellung der Vorrichtung in einer bevorzugten technischen Ausführungsform. Fig. 3: A schematic representation of the device in a preferred technical embodiment.
Fig. 1a und b zeigen eine prinzipielle Darstellung aller Ausführungsformen der Vorrichtung. Die Probe (3) wird über die Quelle (1) beleuchtet. Die von Fluoreszenzzentren (4) ausgehende Fluoreszenzstrahlung wird über die Optik (6) auf einen Detektor (8), der mit einer Signalauswertung incl. Bildrekonstruktionseinheit (9) verbunden ist, abgebildet. Sowohl die Blende für die Beleuchtung (2) als auch die für die Fluoreszenzstrahlung (7) sind voneinander unabhängig variabel gestaltet. Außerdem ist die Position und die Blickrichtung der gesamten Optik frei wählbar. Der unterschiedliche Effekt unterschiedlicher Anregungsintensitäten durch Wahl der Eingangsblende ist in den beiden Abbildungen deutlich erkennbar. Fig. 1a and b show a schematic representation of all embodiments of the apparatus. The sample ( 3 ) is illuminated via the source ( 1 ). The fluorescence radiation emanating from fluorescence centers ( 4 ) is imaged via the optics ( 6 ) onto a detector ( 8 ), which is connected to a signal evaluation including an image reconstruction unit ( 9 ). Both the diaphragm for the lighting ( 2 ) and the one for the fluorescent radiation ( 7 ) are designed to be independently variable. In addition, the position and viewing direction of the entire optics can be freely selected. The different effect of different excitation intensities by choosing the input aperture can be clearly seen in the two figures.
In Fig. 2 wird schematisch der Aufbau und die Anwendungd der Vorrichtung gezeigt. Gleichzeitig wird aus den angeordneten Baugruppen ebenfalls die prinzipielle Wirkungsweise in einer weiteren Realisierung deutlich.In Fig. 2 the structure and application of the device is shown schematically. At the same time, the principle of operation also becomes clear from the arranged modules in a further implementation.
Das zu untersuchende Medium (1) wird über eine optische Faser (5) mit Hilfe einer abstimmbaren Lichtquelle (2) bestrahlt. Über geeignet applizierte Fasern (6) wird die empfangene Strahlung zu einem optischen Mehrkanalanalysator (3) geleitet. Die Signalauswertung und die Bildrekonstruktion erfolgt in einer Auswerteeinheit (4).The medium to be examined ( 1 ) is irradiated via an optical fiber ( 5 ) with the aid of a tunable light source ( 2 ). The radiation received is directed to an optical multi-channel analyzer ( 3 ) via suitably applied fibers ( 6 ). The signal evaluation and the image reconstruction takes place in an evaluation unit ( 4 ).
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung gestattet die Anfertigung von tomographischen Schnittbildern hinsichtlich der Konzentration von Fluorophoren in ausgedehnten Medien. Dabei kann es sich z. B. um Flüssigkeiten oder um biologische Objekte handeln. Ein Ausschnitt (1) wird über ein Faserbündel (3) mit Licht bestrahlt, daß in einer integrierten Baugruppe (4) erzeugt wird. Über das gleiche Faserbündel wird die gesamte remittierte Strahlung in diese Baugruppe geleitet und analysiert. Die Signalauswertung und Bildrekonstruktion erfolgt wieder in der Auswerteeinheit (5). Dabei erfolgt anwendungsgemäß eine sukzessive Abtastung der Oberfläche in unterschiedlichen Blickrichtungen. Bei gleichzeitiger Registrierung der Position und Orientierung des Faserbündels und der Verarbeitung dieser Werte in (5) wird so ein Gesamtbild der Fluorophorverteilung im Objekt aus Einzelbildern rekonstruiert. Diese Ausführungsform ist besonders als robuste und handliche technische Variante des Gerätes, z. B. für den mobilen Einsatz, geeignet.The embodiment of the device shown in FIG. 3 permits the production of tomographic sectional images with regard to the concentration of fluorophores in extended media. It can be z. B. are liquids or biological objects. A section ( 1 ) is irradiated with light via a fiber bundle ( 3 ) that is produced in an integrated assembly ( 4 ). The entire remitted radiation is directed into this module and analyzed via the same fiber bundle. The signal evaluation and image reconstruction takes place again in the evaluation unit ( 5 ). According to the application, the surface is scanned successively in different viewing directions. With simultaneous registration of the position and orientation of the fiber bundle and the processing of these values in ( 5 ), an overall picture of the fluorophore distribution in the object is reconstructed from individual pictures. This embodiment is particularly as a robust and handy technical variant of the device, for. B. suitable for mobile use.
Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel stellt die medizinische Diagnostik unter Verwendung der Ausführungsform aus Fig. 3 unter Anwendung z. B. von Indocyanin (2a und b) dar. Dieser Farbstoff wird bei ca. 740 nm angeregt und die Fluoreszenzstrahlung besitzt eine Wellenlänge von ca. 785 nm. Biologische Gewebe kann in diesem Spektralbereich relativ tief (bis 10 mm) durchstrahlt werden. Die Detektion erfolgt über ein Multifaserbündel (3). Bei der ersten Aufnahme wird beispielsweise der innere Ring des Faserbündels (3a) zur Anregung und Detektion verwendet. Wie schon in den Fig. 1a und b ersichtlich, gelingt es erfindungsgemäß die Fluoreszenzmarkerkonzentration (2a) zu detektieren. Die Wahl der Apertur und die Verteilung von Anregungs- und Fluoreszenzstrahlung wird in der Baugruppe (4) in bekannter Art und Weise realisiert. In einem zweiten Schritt erfolgt die Anregung und Detektion über die durch den äußeren Faserring aufgespannte Apertur (3b). Wie ebenfalls aus dem Grundprinzip in Fig. 1a und b ersichtlich, werden dabei die Markerkonzentration (2a und b) erfaßt. Die Baugruppe (5) rekonstruiert erfindungsgemäß das Fluoreszenzbild. Das Diagnoseverfahren liefert on-line Ergebnisse und belastet den Patienten nicht durch ionisierende Strahlung. Das Verfahren kann in diesem Beispiel auch endoskopisch in der Tumordiagnostik, im Stoffwechselmonitoring und in der Fluoreszenzangiographie angewandt werden. A preferred application example is medical diagnostics using the embodiment from FIG . B. indocyanine (2 a and b). This dye is excited at about 740 nm and the fluorescent radiation has a wavelength of about 785 nm. Biological tissues can be irradiated in this spectral region relatively low (to 10 mm). The detection takes place via a multifiber bundle ( 3 ). For the first shot, the inner ring of the fiber bundle is, for example, (3 a) is used for excitation and detection. As in Fig. 1a and b can be seen, it is possible according to the invention the fluorescent marker concentration (2 a) to be detected. The selection of the aperture and the distribution of excitation and fluorescent radiation is realized in the assembly ( 4 ) in a known manner. In a second step, excitation and detection take place via the aperture spanned by the outer fiber ring ( 3 b). As, besides the marker concentration can be detected (2 a and b) also made of the basic principle in Fig. 1a and b can be seen. The assembly ( 5 ) reconstructs the fluorescence image according to the invention. The diagnostic procedure delivers results online and does not burden the patient with ionizing radiation. In this example, the method can also be used endoscopically in tumor diagnostics, in metabolic monitoring and in fluorescence angiography.
Die mit dem Verfahren verbundenen Methoden der Bildsynthese sind im Unterschied zu den Methoden der Dichterekonstruktion innerhalb des Blickfeldes eines Detektors von dieser Vorrichtung getrennt zu betrachten. Insbesondere können jedoch mit Hilfe aller Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung Schnittbilder des zu untersuchenden Körpers hinsichtlich der räumlichen Verteilung von Fluorophoren gewonnen werden.The methods of image synthesis associated with the method differ from the methods of density reconstruction within the field of view of a detector from to consider this device separately. In particular, with the help of everyone Embodiments of the device according to the invention sectional views of the investigating body with regard to the spatial distribution of fluorophores be won.
Claims (6)
- - die Anregung mit Licht einer Wellenlänge zwischen 300 und 3000 nm erfolgt,
- - sowohl die remittierte Anregungsstrahlung als auch die Fluoreszenzstrahlung mit beliebig positionierten Detektoren unterschiedlicher Öffnungscharakteristik (Durchmesser und numerische Apertur) efolgt,
- - eine Korrektur der Skalierung der Fluorophorkonzentration mit Hilfe der unmittelbar rückgestreuten Strahlung erfolgt sowie,
- - eine räumliche Rekonstruktion der Fluoreszenzverteilung durch Verarbeitung der Signale aus verschiedenen Detektoren erfolgt.
- the excitation takes place with light of a wavelength between 300 and 3000 nm,
- - Both the remitted excitation radiation and the fluorescence radiation follow with any position detectors with different aperture characteristics (diameter and numerical aperture),
- - the scaling of the fluorophore concentration is corrected using the directly back-scattered radiation, and
- - A spatial reconstruction of the fluorescence distribution is carried out by processing the signals from different detectors.
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|---|---|---|---|
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Owner name: LASER- UND MEDIZIN-TECHNOLOGIE GGMBH, 12207 BERLIN |
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