DE4445214C2 - Method for determining and reconstructing spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and device for carrying out the method - Google Patents
Method for determining and reconstructing spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and device for carrying out the methodInfo
- Publication number
- DE4445214C2 DE4445214C2 DE19944445214 DE4445214A DE4445214C2 DE 4445214 C2 DE4445214 C2 DE 4445214C2 DE 19944445214 DE19944445214 DE 19944445214 DE 4445214 A DE4445214 A DE 4445214A DE 4445214 C2 DE4445214 C2 DE 4445214C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- integrated assembly
- radiation
- different
- fluorescence
- intensities
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 22
- 238000009826 distribution Methods 0.000 title claims description 11
- 239000007850 fluorescent dye Substances 0.000 title claims description 6
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 29
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 17
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 14
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 5
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000012821 model calculation Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000002583 angiography Methods 0.000 description 1
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 1
- 230000009187 flying Effects 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000005865 ionizing radiation Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000004060 metabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 238000007619 statistical method Methods 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
- G01N21/6452—Individual samples arranged in a regular 2D-array, e.g. multiwell plates
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0071—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by measuring fluorescence emission
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0073—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence by tomography, i.e. reconstruction of 3D images from 2D projections
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0082—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes
- A61B5/0084—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/645—Specially adapted constructive features of fluorimeters
- G01N21/6456—Spatial resolved fluorescence measurements; Imaging
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence
- A61B5/0082—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes
- A61B5/0084—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters
- A61B5/0086—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence adapted for particular medical purposes for introduction into the body, e.g. by catheters using infrared radiation
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
- G01N21/4795—Scattering, i.e. diffuse reflection spatially resolved investigating of object in scattering medium
Description
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 Kalibrierung oder Modellierung die Konzentration zur Intensität skaliert.It is known that the intensity of the fluorescent radiation with the concentration of the fluorophore increases in the irradiated volume. For media with unchangeable optical properties and refractive indices is determined by calibration or Modeling the concentration scaled to the intensity.
Unabhängig davon, ob eine Faser oder ein flächenförmiger Detektor zur Registrie rung 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 Entfer nung der Fluoreszenzzentren 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 Fluo reszenzverteilung in streuenden Medien ist nicht möglich. Regardless of whether a fiber or a flat detector for registration tion of fluorescence radiation, it was previously not possible to use simple methods (continuous radiation and detection in contrast to considerably more time-consuming method) information about the distance to obtain the fluorescence centers to the detector. Known arrangements are only suitable for the concentration of the fluorophore as an average over the to measure total excited volume. A spatial representation of the fluo Resence distribution in scattering media is not possible.
Des weiteren tritt durch veränderliche optische Eigenschaften des Mediums eine Störung des Fluoreszenzsignals auf.Furthermore, changing optical properties of the medium result Disturbance of the fluorescence signal.
Aus US 5 022 757 ist es bekannt, die räumliche Verteilung von Fluoreszenzstoffen durch Laserstrahlung scannend abzutasten. Die Abtasung erfolgt hierbei jedoch punktweise nacheinander, so daß der Erhalt eines Gesamtbildes zeitaufwendig ist. Außerdem müssen zur räumlichen Abtastung sich jeweils zwei Laserstrahlen in einem Raumpunkt überlagern.From US 5,022,757 it is known the spatial distribution of fluorescent substances scanning by laser radiation. However, the scanning takes place here point by point in succession, so that obtaining an overall picture is time-consuming. In addition, two laser beams must be in each case for spatial scanning overlay a point in space.
Ferner ist aus DE 37 18 202 C1 die Abbildung von Fluoreszenzstoffen mit einer Videokamera bekannt. Hierbei fehlt jedoch die Möglichkeit einer räumlichen Darstellung.Furthermore, DE 37 18 202 C1 describes the imaging of fluorescent substances with a Video camera known. However, the possibility of a spatial one is missing here Presentation.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von Fluoreszenzzentren in trüben Medien bei vergleichsweise geringem Aufwand zu schaffen.The invention has for its object a device for determining spatial distribution of fluorescence centers in cloudy media in comparison to create little effort.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen 1 und 7 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved by means of the claims 1 and 7 specified characteristics. Advantageous further developments are in the respective Subclaims specified.
Bei ähnlicher aufgabengemäßer Grundlösung sollen verschiedene Vorrichtungsaus führungen 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.In the case of a similar basic solution according to the task, different devices are intended guides as modules the scaling of the fluorescence radiation by means of the Backscattering the excitation radiation and the tomographic reconstruction of Allow fluorescence images. Areas of application a. typically the laboratory as well as procedural analysis as well as medical Diagnostics using the body's own and enriched fluorescent dyes.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei Verwendung von Detektoren unterschiedlicher Querschnitte und verschiedener numerischer Aperturen die ge messene 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 ge measured intensity of the fluorescent radiation in percent different Fluorescence centers of different distances are distributed.
Des weiteren sind in der Veränderung der Rückstrahlintensität des Anregungslichtes Informationen über veränderte optische Eigenschatten und optische Ankopp lungsbedingungen enthalten.Furthermore, there is a change in the reflection 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 Geo metrie mit Licht einer oder mehrerer Wellenlängen angeregt.According to the invention, the cloudy medium to be examined, which is both solid, can be liquid as well as gaseous by a source of known geo stimulated with light of one or more wavelengths.
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 Öffnungs winkel (numerische Apertur) eine Selektivität in der räumlichen Entfernung der detektierten Strahlung gezielt erreicht wird. Die gesamte Intensität der Fluoreszenz strahlung setzt sich damit additiv aus Anteilen zusammen, die von Fluoreszenzzen tren 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 as well as, if possible, registered in transmission. The device allows the Repeat the procedure for each known positioning of the excitation source and the detectors, the detector arrangement not always rigid with the Excitation arrangement is connected. According to the invention, the fact is used that that both through the cross section of the detector and through its opening angle (numerical aperture) a selectivity in the spatial distance of the detected radiation is specifically achieved. The total intensity of fluorescence radiation is thus additively composed of parts from fluorescence at different distances.
Eine Trennung dieser Anteile und damit eine Rekonstruktion der räumlichen Verteilung der Konzentration des Fluorophors erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß durch Kalibrierung 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 According to the invention, the concentration of the fluorophore is distributed in that by calibration on phantoms or by numerical simulations of 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 be
stimmten 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, which are registered by the i-th detector with a certain opening cross-section and a certain aperture at a certain distance. These intensities are additively composed of parts that come from different spatial distances 1 , 2 , ..., n 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 are proportional to the concentration of the fluorophore over a wide range:
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 Kalibrierung 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 both on the geometry of the source and the detector and on the distance from the fluorescence center. They can be determined empirically by calibration on phantoms or by model calculations. Combining both equations creates a system of equations that links the intensities with the concentrations:
I = G × c I = G × c
Dabei ist I der Vektor der Intensitäten aus unterschiedlichen Detektoren, G die bekannte Matrix der Gewichte und c der Vektor der Konzentrationen in unter schiedlichen Entfernungen bzw. Volumenelementen. I is the vector of the intensities from different detectors, G the known matrix of the weights and c the vector of the 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 discrete spatial distances chosen should be that of the differently configured arrangements do not exceed, so that the linear system of equations is determined or over-determined. In the first case it is Solution clearly. Singularities are not relevant from a practical point of view, because in the interest of the stability of the solutions the spatial subdivision is always the same can be chosen that a neighborhood does not occur on such points.
Bei Wahl einer geringeren Auflösung (Dimension des Vektors c kleiner als die des Vektors I) können die im Sinne des Rekonstruktionsalgorithmus überzähligen Meßwerte mit Hilfe statistischer Methoden zur Rauschunterdrückung verwendet werden.If a lower resolution is chosen (dimension of vector c smaller than that of vector I ), the measurement values which are superfluous in the sense of the reconstruction algorithm can be used with the aid of statistical methods for noise suppression.
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 higher-order dependencies can also be included in the reconstruction of the spatial fluorophore distribution:
Ii,k = gi,k . (ck) + g2 i,k . (ck)2 + ...I i, k = g i, k . (c k ) + g 2 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 g 2 etc. are to be determined empirically. The new system of equations thus created is also inverted using known methods of numerical mathematics.
Es sollen sowohl technische Realisierungen betrachtet werden, die durch einzelne Detektoren physikalisch als auch nach Registrierung mit großen Aperturen syn thetisch 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 Matrix G festgelegten Positionen übereinstimmen. Both technical realizations by individual Detectors physically and after registration with large apertures syn be generated theoretically. It does not matter whether there are several detectors positioned or aligned at the same time or a detector differently and used sequentially for measurement, as long as only the individual Positions correspond to those defined in the matrix G.
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 to reconstruct according to a chosen resolution. The maximum resolution is thereby by the number of detectors implemented in total (factually or synthetically) certainly.
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 Fluoreszenzstrahlung. Wiederum können durch Kalibrierung an Phantomen oder Modellrechnungen der Einfluß von räumlichen oder zeitlichen Schwankungen dieser Parameter zur Korrektur der Skalierung der Konzentration des Fluorophors über der Fluoreszenzintensität bestimmt werden.Furthermore, the optical properties influence both the spread of the Excitation as well as fluorescence radiation. Again, through calibration the influence of spatial or temporal on phantoms or model calculations 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 mehrerer 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 are therefore in a fiber bundle both the backscattered excitation radiation and the fluorescence radiation one or more excitation wavelengths with any number of optical fibers of known numerical aperture registered. These signals are read out individually and evaluated in a central processing unit.
In einem weiteren Anwendungsbeispiel werden mittels einer räumlich frei positionierbaren Quelle und einer oder mehreren frei positionierbaren Kameras (fly ing optics) mit veränderlichem Öffnungsquerschnit (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, are spatially free using a positionable source and one or more freely positionable cameras (fly ing optics) with variable opening cross-section (motor cover) in principle any number of configurations registers the different intensities. This Signals are read out individually and also in a central processing unit evaluated with regard to synthetically produced apertures.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.Advantageous developments of the invention are described below together with the Description of exemplary embodiments of the invention with reference to the figures shown.
Es sindThere are
Fig. 1a und b: Eine schematische Darstellung der Anwendungen der Vor richtung einschließlich der Anordnung der Baugruppen zur Anfertigung von tomographischen Rekonstruktionen. 1a and b. A schematic representation of the applications of the pre direction 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 Vor richtung. Die Probe 3 wird über die Lichtquelle 1 beleuchtet. Die von Fluores zenzzentren 4 ausgehende Fluoreszenzstrahlung wird über die Optik 6 auf einen Detektor 8, der mit einer Signalauswertung mit Bildrekonstruktionseinheit 9 verbunden ist, abgebildet. Sowohl die Blende 2 für die Beleuchtung 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 pre direction. The sample 3 is illuminated via the light 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 with image reconstruction unit 9 . Both the diaphragm 2 for the illumination and that 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 Anwendung 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 is also clear from the arranged modules in a further implementation.
Das zu untersuchende Medium 21 wird über eine optische Faser 25 mit Hilfe einer abstimmbaren Lichtquelle 22 bestrahlt. Über geeignet applizierte Fasern 26 wird die empfangene Strahlung zu einem optischen Mehrkanalanalysator 23 geleitet. Die Signalauswertung und die Bildrekonstruktion erfolgt in einer Auswerteeinheit 24.The medium 21 to be examined is irradiated via an optical fiber 25 with the aid of a tunable light source 22 . The radiation received is conducted via suitably applied fibers 26 to an optical multi-channel analyzer 23 . The signal evaluation and the image reconstruction takes place in an evaluation unit 24 .
Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung gestattet die Anferti gung 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 31 wird über ein Multifaser bündel 33 mit Licht bestrahlt, das in einer integrierten Baugruppe 34 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 35. 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 der Auswerteeinheit 35 wird so ein Gesamtbild der Fluorophorverteilung im Objekt aus Einzelbildern rekonstruiert. Diese Ausführungs form 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 allows the preparation of tomographic slices with respect to the concentration of fluorophores in extensive media. It can be z. B. are liquids or biological objects. A section 31 is irradiated with a multi-fiber bundle 33 with light that is generated in an integrated assembly 34 . 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 35 . 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 the evaluation unit 35 , an overall image of the fluorophore distribution in the object is reconstructed from individual images. This execution form is particularly 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 (32a und b) dar. Dieser Farbstoff wird bei ca. 740 nm angeregt und die Fluo reszenzstrahlung besitzt eine Wellenlänge von ca. 785 nm. Biologisches Gewebe kann in diesem Spektralbereich relativ tief (bis 10 mm) durchstrahlt werden. Die Detektion erfolgt über ein Multifaserbündel 33. Bei der ersten Aufnahme wird beispielsweise der innere Ring des Faserbündels 33a zur Anregung und Detektion verwendet. Wie schon in den Fig. 1a und b ersichtlich, gelingt es die Fluoreszenz markerkonzentration 32a zu detektieren. Die Wahl der Apertur und die Verteilung von Anregungs- und Fluoreszenzstrahlung wird in der Baugruppe 34 in bekannter Art und Weise realisiert. In einem zweiten Schritt erfolgt die Anregung und Detektion über die durch den äußeren Faserring aufgespannte Apertur 33b. Wie ebenfalls aus dem Grundprinzip in Fig. 1a und b ersichtlich, werden dabei die Fluoreszenzmarkerkonzentration 32a und b erfaßt. Die Auswerteeinheit 35 rekon struiert das Fluoreszenzbild. Das Diagnoseverfahren liefert online Ergebnisse und belastet den Patienten nicht durch ionisierende Strahlung. Das Verfahren kann in diesem Beispiel auch endoskopisch in der Tumordiagnostik, im Stoffwechselmonito ring und in der Fluoreszenzangiographie angewandt werden.A preferred application example is medical diagnostics using the embodiment from FIG . B. of indocyanine ( 32 a and b). This dye is excited at approx. 740 nm and the fluorescence radiation has a wavelength of approx. 785 nm. In this spectral range, biological tissue can be irradiated relatively deep (up to 10 mm). The detection takes place via a multifiber bundle 33 . In the first recording, for example, the inner ring of the fiber bundle 33 a is used for excitation and detection. As in Fig. 1a and b can be seen, it is possible to detect a marker 32 concentration fluorescence. The choice of the aperture and the distribution of excitation and fluorescent radiation is realized in the assembly 34 in a known manner. In a second step, the excitation and detection takes place via the aperture 33 b spanned by the outer fiber ring. As also the basic principle in Fig. 1a and b can be seen, while the fluorescent marker concentration 32 a and b detected. The evaluation unit 35 reconstructs the fluorescence image. 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 diagnosis, in metabolism 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 beschriebenen Vorrichtung Schnittbilder des zu untersuchenden Körpers hinsichtlich der räumlichen Verteilung von Fluorophoren gewonnen werden.The methods of image synthesis associated with the process differ on the methods of density reconstruction within the field of view of a detector to be considered separately from this device. In particular, however, with With the help of all embodiments of the described device, sectional images of the investigating body with regard to the spatial distribution of fluorophores be won.
Claims (11)
- - eine Anregung mit einer Lichtquelle (1; 22; integrierte Baugruppe 34) mit Licht einer Wellenlänge zwischen 300 und 3000 nm erfolgt,
- - sowohl Intensitäten der remittierten Anregungsstrahlung als auch der Fluoreszenzstrahlung mit einem Detektor (8; Mehrkanalanalysator 23; integrierte Baugruppe 34) oder mehreren Detektoren (8; Mehrkanal analysator 23; integrierte Baugruppe 34) unterschiedlicher Öffnungs charakteristik erfaßt werden,
- - eine Korrektur der erfaßten Intensitäten zum Erhalt der Fluoreszenzfarb stoffkonzentration mit Hilfe der Intensität der unmittelbar rückgestreuten Anregungsstrahlung erfolgt sowie
- - eine räumliche Rekonstruktion der Fluoreszenzverteilung durch Ver arbeitung der Signale aus verschiedenen Detektorpositionen nach einem tomographischen Verfahren erfolgt.
- an excitation with a light source ( 1 ; 22 ; integrated assembly 34 ) with light of a wavelength between 300 and 3000 nm takes place,
- - both the intensities of the light reflected excitation radiation and the fluorescence radiation with a detector (34 integrated assembly 8;; multi-channel analyzer 23) of different opening detected characteristic (8;; 23 multichannel analyzer integrated module 34) or a plurality of detectors
- - A correction of the detected intensities to obtain the fluorescent dye concentration using the intensity of the immediately backscattered excitation radiation and
- - A spatial reconstruction of the fluorescence distribution is carried out by processing the signals from different detector positions using a tomographic method.
- - einer Licht einer Wellenlänge zwischen 300 und 3000 nm abgebenden Lichtquelle (1; 22; integrierte Baugruppe 34),
- - einem Detektor (8; Mehrkanalanalysator 23; integrierte Baugruppe 34) oder mehreren Detektoren (8; Mehrkanalanalysator 23; integrierte Baugruppe 34) unterschiedlicher Öffnungscharakterisitik, vorzugsweise mit ver schiedenem Querschnitt und/oder Öffnungswinkel und
- - einer eingangsseitig mit dem oder den Detektoren (8; Mehrkanalanalysator 23; integrierte Baugruppe 34) verbundenen Auswerteeinheit (Bildrekon struktionseinheit 9; 24; 35) zur Auswertung der Signale aus den ver schiedenen Detektorpositionen nach einem tomographischen Verfahren zur räumlichen Rekonstruktion der Fluoreszenzverteilung.
- a light source emitting light of a wavelength between 300 and 3000 nm ( 1 ; 22 ; integrated assembly 34 ),
- - A detector ( 8 ; multi-channel analyzer 23 ; integrated assembly 34 ) or several detectors ( 8 ; multi-channel analyzer 23 ; integrated assembly 34 ) of different aperture characteristics, preferably with a different cross-section and / or aperture angle and
- - An input side with the one or more detectors ( 8 ; multi-channel analyzer 23 ; integrated assembly 34 ) connected evaluation unit (image reconstruction unit 9 ; 24 ; 35 ) for evaluating the signals from the different detector positions according to a tomographic method for spatial reconstruction of the fluorescence distribution.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19944445214 DE4445214C2 (en) | 1994-12-17 | 1994-12-17 | Method for determining and reconstructing spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and device for carrying out the method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19944445214 DE4445214C2 (en) | 1994-12-17 | 1994-12-17 | Method for determining and reconstructing spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and device for carrying out the method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE4445214A1 DE4445214A1 (en) | 1996-06-20 |
| DE4445214C2 true DE4445214C2 (en) | 2000-06-29 |
Family
ID=6536218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19944445214 Expired - Fee Related DE4445214C2 (en) | 1994-12-17 | 1994-12-17 | Method for determining and reconstructing spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and device for carrying out the method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE4445214C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102012100098A1 (en) * | 2012-01-06 | 2013-07-11 | Becker & Hickl Gmbh | Method for recording temporal changes in fluorescence decay function along line in spatial sample, involves determining distance along line for photons, and times within laser-pulse period and of any event within/outside sample |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19923822A1 (en) * | 1999-05-19 | 2000-11-23 | Zeiss Carl Jena Gmbh | Optical scanning configuration for detecting fluorescent light and for suppressing stray light arising from an illuminated test detected through a lens creates a shaded area for stray light in a focal plane. |
| JP4781548B2 (en) * | 2001-03-14 | 2011-09-28 | 浜松ホトニクス株式会社 | Breast cancer detection device |
| EP1514093B1 (en) | 2002-06-04 | 2021-04-28 | Visen Medical, Inc. | Imaging volumes with arbitrary geometries in non-contact tomography |
| US7647091B2 (en) | 2003-02-05 | 2010-01-12 | The General Hospital Corporation | Method and system for free space optical tomography of diffuse media |
| DE10357184A1 (en) | 2003-12-08 | 2005-07-07 | Siemens Ag | Combination of different images relating to bodily region under investigation, produces display images from assembled three-dimensional fluorescence data image set |
| DE102004009655A1 (en) * | 2004-02-27 | 2005-06-09 | Siemens Ag | Device for optical fluorescence tomography used in biotechnology comprises optical sensors arranged on support which is adapted by deforming to outer contour of body of patient being investigated, and positioning sensors |
| DE102004009656A1 (en) * | 2004-02-27 | 2005-06-09 | Siemens Ag | Device for optical tomography used in biotechnology comprises support having optical sensors to be placed on different sites of body being investigated and accessed via positioning element |
| DE102004009657A1 (en) * | 2004-02-27 | 2005-06-09 | Siemens Ag | Device for optical tomography used in biotechnology comprises optical sensors fixed to support having positioning element to be introduced into lumen of patient being investigated |
| DE102005013042A1 (en) | 2005-03-18 | 2006-09-28 | Siemens Ag | Three-dimensional fluorescence/luminescence scanner for detection of e.g. breast cancer, computes three-dimensional position information of surface points of scanned body based on projection and recording angles of optical pattern |
| RU2305270C2 (en) | 2005-05-18 | 2007-08-27 | Андрей Алексеевич Климов | Fluorescent nanoscopy method (variants) |
| DE102006038161A1 (en) * | 2006-08-16 | 2008-02-28 | Siemens Ag | Imaging device for fluorescence imaging of e.g. mouse, has mirror arrangement with mirror for deflecting emission light from investigation region for image recording device such that images of investigation region are recordable |
| CN110596062B (en) * | 2019-09-21 | 2022-07-15 | 杭州科洛码光电科技有限公司 | Scanning imaging system based on variable frequency laser and method thereof |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3037983C2 (en) * | 1980-10-08 | 1983-03-31 | Fa. Carl Zeiss, 7920 Heidenheim | Method and device for the light-induced scanning microscopic representation of sample parameters in their spatial distribution |
| DE3718202C1 (en) * | 1987-05-29 | 1988-11-17 | Wolfgang Prof Dr Lohmann | Arrangement for measuring a condition value for organic tissue areas |
| US5022757A (en) * | 1989-01-23 | 1991-06-11 | Modell Mark D | Heterodyne system and method for sensing a target substance |
| DE4026821A1 (en) * | 1990-08-24 | 1992-03-05 | Philips Patentverwaltung | METHOD FOR DETECTING ANOMALIES OF THE SKIN, ESPECIALLY MELANOMAS, AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD |
| WO1993005386A1 (en) * | 1991-08-29 | 1993-03-18 | Helmut Scharsching | Process for large surface measurement of the amount of thawing agents on traffic areas |
-
1994
- 1994-12-17 DE DE19944445214 patent/DE4445214C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3037983C2 (en) * | 1980-10-08 | 1983-03-31 | Fa. Carl Zeiss, 7920 Heidenheim | Method and device for the light-induced scanning microscopic representation of sample parameters in their spatial distribution |
| DE3718202C1 (en) * | 1987-05-29 | 1988-11-17 | Wolfgang Prof Dr Lohmann | Arrangement for measuring a condition value for organic tissue areas |
| US5022757A (en) * | 1989-01-23 | 1991-06-11 | Modell Mark D | Heterodyne system and method for sensing a target substance |
| DE4026821A1 (en) * | 1990-08-24 | 1992-03-05 | Philips Patentverwaltung | METHOD FOR DETECTING ANOMALIES OF THE SKIN, ESPECIALLY MELANOMAS, AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD |
| WO1993005386A1 (en) * | 1991-08-29 | 1993-03-18 | Helmut Scharsching | Process for large surface measurement of the amount of thawing agents on traffic areas |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Rev.Sci.Instrum., 57, 1986, S. 2339-2342 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102012100098A1 (en) * | 2012-01-06 | 2013-07-11 | Becker & Hickl Gmbh | Method for recording temporal changes in fluorescence decay function along line in spatial sample, involves determining distance along line for photons, and times within laser-pulse period and of any event within/outside sample |
| DE102012100098B4 (en) | 2012-01-06 | 2021-09-16 | Becker & Hickl Gmbh | Method for recording temporal changes in the time function of an optical signal with spatial resolution along a line in space |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4445214A1 (en) | 1996-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE4200741C2 (en) | Device for the detection of caries on teeth | |
| DE4445214C2 (en) | Method for determining and reconstructing spatial distributions and intensities of fluorescent dyes and device for carrying out the method | |
| DE102007048362B9 (en) | System and method for examining an object | |
| EP1241979B1 (en) | Method and device for determining local distribution of a measuring parameter | |
| DE60116104T2 (en) | PHASE DISPERSIVE TOMOGRAPHY | |
| DE69634858T2 (en) | NONINVASIVE BLOOD TESTING DEVICE | |
| DE60314282T2 (en) | USE OF HIGH-WAVE RAMAN SPECTROSCOPY FOR TISSUE MEASUREMENT | |
| DE60303613T2 (en) | OPTICAL PROJECTION TOMOGRAPHY | |
| DE2935812A1 (en) | METHOD FOR TESTING MATERIAL | |
| DE4134845A1 (en) | Combined X=ray and optical tomography scanner - has function distribution measuring appts. detecting two physical magnitudes in body | |
| DE10151670A1 (en) | Imaging method and imaging device, in particular for small animal imaging | |
| DE2340252A1 (en) | METHOD AND EQUIPMENT FOR COUNTING BIOLOGICAL PARTICLES | |
| DE102004002918B4 (en) | Device for the examination of the skin | |
| DE69929224T2 (en) | METHOD FOR THE LOCAL AND SURFACE MEASUREMENT OF THE SPREAD AND ABSORPTION CHARACTERISTICS OF TRUE MEDIA | |
| DE4341063B4 (en) | Apparatus and method for the optical, spatially resolving determination of density distributions in biological tissue | |
| DE69632437T2 (en) | Method and device for measuring optical values | |
| DE102017221187B4 (en) | Method for determining the concentration of different fluorescence emitters and microscopy systems contained in an object | |
| DE102014017006B4 (en) | Method for the determination and evaluation of time-resolved fluorescence or reflection images on extended three-dimensional surfaces | |
| DE2440376A1 (en) | PARTICLE SIZE ANALYSIS OF POLYDISPERSIC SYSTEMS WITH THE HELP OF LASER LIGHT SCATTERING | |
| DE102021123148A1 (en) | METHOD FOR EVALUATION OF MEASUREMENT DATA OF A LIGHT FIELD MICROSCOPE AND DEVICE FOR LIGHT FIELD MICROSCOPY | |
| EP2777491A1 (en) | Method and device for monitoring vital functions | |
| DE10324934A1 (en) | Arrangement and a method for recognizing layers that are arranged on surfaces of components and determining their properties | |
| DE102004008519A1 (en) | Method of visualizing quantitative information in medical imaging records | |
| DE102011012674B3 (en) | Method for determination of approximation value of glomerular filtration rate during treatment of nephropathy for e.g. diabetic patients, involves determining content of albumin or its ratio to creatinine, where ratio represents parameter | |
| AT505523B1 (en) | METHOD AND ARRANGEMENT FOR STATUS DETECTION OF SKIN TISSUE |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: LASER- UND MEDIZIN-TECHNOLOGIE GGMBH, 12207 BERLIN |
|
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |