DE69922601T2

DE69922601T2 - Spektroskopische Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung

Info

Publication number: DE69922601T2
Application number: DE69922601T
Authority: DE
Inventors: Masamitsu Toyonaka-shi HARUNA
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2019-02-20
Also published as: CA2291022C; CA2291022A1; EP0985922A4; WO1999049300A1; JP3594794B2; JPH11271226A; EP0985922A1; US6463314B1; DE69922601D1; EP0985922B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung.
Stand der Technik
Auf diesem Gebiet sind die folgenden Veröffentlichungen bekamt:

(1) Medical Equipment Encyclopedia Edition Committee,
ed.", 1987-88 Medical Equipment Encyclopedia", Seiten 426-436, Sangyo Chosakai
(2) "Encyclopedia of Medical Sciences", Seiten 46-50, Kodansha
(3) Takuzo Sato, "From Laser CD Player to X-ray Laser", Seiten 146-170, Denki Shoin (1987)
(4) Harufumi Kato, Hideki Yamamoto, and Toshimitsu Hiyoshi, "Therapeutic Effect on Cancer by Photosensitive Substances", O plus E, No. 160, Seiten 83-88 (1993)
(5) Yusaku Shimaoka, Masato Ohmi, and Masamitsu Haruna, "Nanosecond Stroboscopic Microscope for Laser Ablation of Biological Tissue" , The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, ME and Bio Cybernetics Study Group, Technical Report of IEICE MBE96-93 (1996)
(6) Yusaku Shimaoka, Mitsuo Nakamura, Masato Ohmi, and Masamitsu Haruna, "Nanosecond Stroboscopic Microscope for Laser Ablation of Biological Tissue", Conference on Laser & Electro Optics/Pacific Rim (CLEO/PR' 97), Paper FF3, Technical Digest, Seiten 261-262, Makuhari, Chiba, 1997

In medizinischen Behandlungsvorrichtungen werden üblicherweise infrarote CO₂-Laser und Nd:YAG-Laser, welche als Laserskalpelle dienen, für Einschnitte und Gerinnungen in chirurgischen Operationen verwendet (siehe Veröffentlichungen (1) und (2)).
Die laserinduzierte Fluoreszenzanalyse (siehe Veröffentlichungen (3) und (4)) wurde fortlaufend als ein effektives Diagnoseverfahren untersucht. Das Verbessern und Verwenden einer laserinduzierten biologischen Reaktion als eine führende medizinische Technik verlangt das Sammeln und Anhäufen detaillierter experimenteller Daten, welche zeitliche Veränderungen eines Reaktionszustandes in der Nähe der Oberfläche biologischen Gewebes auf Grund der Bestrahlung mit einem Laserimpuls und Zusammensetzungen von Substanzen, die von der Oberfläche gestreut werden, umfassen und welche aus Analysen erhalten werden.
Das US-Patent 5,720,894 (Neev) offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Entfernen biologischen Gewebes mittels Benutzen eines Ultrakurz-Laserimpulssystems, welches mit einer hohen Impulswiederholrate arbeitet. Die Dauer jedes Laserimpulses liegt in der Größenordnung von ungefähr 1 fs bis weniger als 50 ps, so daß die Energiezufuhr auf eine kleine Tiefe lokalisiert ist und auftritt, bevor eine signifikante hydrodynamische Bewegung und thermische Leitung stattfindet, welche zu Begleitschäden führen können. Die Eingangslaserenergie pro abgetragenes Gewebevolumen ist niedrig und die zum Material abtragen benötigte Energiedichte sinkt mit sinkender Impulsbreite. Die Benutzung eines chirped-impulsverstärkten Titanium-dotierten Saphirlasers als eine Laserquelle ist offenbart.
Das US-Patent 4,973,848 (Kolobanov) offenbart eine Vorrichtung, in der zwei Laserstrahlen nacheinander über einen Gewebebereich gerastert werden, welcher mittels Lasertherapie zu behandelt ist. Ein erster "Analyse"-Strahl wird benutzt, um charakteristische Lichtemissionen oder Reflektionen von der Oberfläche anzuregen. Dieses gestreute Licht wird erfaßt und analysiert, um mittels des "Analyse"-Strahls die Eigenschaften des kleinen Teils der bestrahlten Oberfläche an dem Zeitpunkt zu bestimmen. Ein zweiter "Bearbeitungs"-Strahl wird gleichzeitig mit dem "Analyse"-Strahl gerastert. Die Eigenschaften der Oberfläche in jedem kleinen Bereich (wie mittels des "Analyse"-Strahls bestimmt) werden verwendet, um die Leistung und andere Eigenschaften des "Bearbeitungs"-Strahls so einzustellen, daß jeder kleine Bereich der Oberfläche eine optimale Belichtung erhält.
Das US-Patent 4,981,138 (Deckelbaum) offenbart ein Verfahren zum Erfassen premaligner Läsionen im Magendarmtrakt, welches ein Positionieren einer optischen Faser in dem Magendarmtrakt eines Patienten und ein Übertragen ultravioletten Laserlichts durch die optische Faser umfaßt, um zu bewirken, daß das von dem Laser beleuchtete Gewebe des Magendarmtraktes nahe des sichtbaren Frequenzbandes fluoresziert. Das Fluoreszenzspektrum wird durch die optische Faser an ein Spektrumanalysiermittel zurückgeschickt, welches das Spektrum analysiert, um festzustellen, ob das Gewebe, welches die Fluoreszenz verursacht hat, premalignant ist. Das so diagnostizierte Gewebe kann mittels eines Hochleistungslasers mittels des selben faseroptischen Systems abgetragen werden.
Die europäische Patentveröffentlichung EP 0811453 (Lumonics) offenbart eine Vorrichtung, in der die Strahlung einer Schwade oder eine optische Strahlung, die erzeugt wird, wenn ein Laserstrahl mit einem zu schweißenden Werkstück wechselwirkt, durch einen optische Elemente mit chromatischer Aberration umfassenden Strahlenlieferpfad zurückempfangen wird. Die ändert den Fokus unterschiedlicher spektraler Bänder der Schwaden-Strahlung und die selektierende Öffnung wird von der Oberfläche einer optischen Faser gebildet. Nach dem Durchlaufen der Faser wird die Schwaden-Strahlung von jeglicher Laserstrahlung getrennt und die jeweiligen Leistungen der unterschiedlichen spektralen Bänder werden gemessen. Mittels Subtraktion wird ein Fehlersignal erhalten, welches für die Steuerung des Laserstrahlenfokusses verwendet wird.
Die Erfindung
Physikalische Phänomene wie Laserabtragung bzw. Laserablation biologischen Gewebes und daraus resultierende Fluoreszenzerzeugung treten innerhalb eines Zeitraumes in der Größenordnung einer Nanosekunde oder weniger auf, wie im Fall physikalischer Phänomene in anorganischen Substanzen (siehe Veröffentlichungen (3) und (4)). Daher werden für die spektroskopische Analyse dieser Phänomene optische Meßverfahren mit einer Zeitauflösung in der Größenordnung einer Nanosekunde benötigt. Laserablation biologischen Gewebes bezieht sich auf ein Phänomen mittels dessen biologisches Gewebe mit Hilfe von Bestrahlen mit einem Laserimpuls thermisch oder photochemisch abgebaut wird und augenblicklich verdampft.
Die Erfinder haben bereits ein stroboskopisches Nanosekunden-Mikroskopiesystem entwikkelt und dynamische Analysen der Laserablation biologischen Gewebes durchgeführt (siehe Veröffentlichungen (5) und (6)). In dem System kann mittels spektraler Analyse einer Licht emittierenden Schwade die Zusammensetzung einer biologischen Gewebeprobe aufgeklärt werden, was ein Unterscheiden zwischen normalen und verletzten Teilen des Gewebes erlaubt. Daher wird erwartet, daß die Schwadenspektroskopieanalyse zusammen mit fluorometrischen Analyseverfahren zu Schlüsseltechnologien für optische Biopsie werden.
Bei einer stroboskopischen Analyse mittels eines Monochromators (siehe Veröffentlichung (6)), welche eines von mehreren Emissions-Spektralanalyseverfahren ist, kann die Messung auf einer bestimmten Wellenlänge mittels Bestrahlen mit einem einzigen Laserimpuls durchgeführt werden. Die stroboskopische Analyse benötigt daher eine lange Zeit zum Messen von Schwadenemissionsspektren, was zur Zerstörung der zu analysierenden Probe führen kann, und das Anwenden einer derartigen Analyse in einer klinischen Umgebung wird als problematisch angesehen.
Somit ist es Aufgabe der Erfindung, eine spektroskopische Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung zu schaffen, welche eine augenblickliche spektroskopische Analyse einer Licht emittierenden Schwade mittels Bestrahlen einer biologischen Gewebeprobe mit einem einzigen Laserimpuls durchführt, wobei ein Mehrkanal-Photoanalysiermittel verwendet wird, welches einen Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker mit einer Gatterbreite in der Größenordnung von einer Nanosekunde aufweist.
Zur Lösung der Aufgabe, sieht die Erfindung folgendes vor: Eine Spektroskopische Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung, bei der ein Laserimpuls aus einer Lichtquelle ein biologisches Gewebe auf eine fokussierte Weise beleuchtet, eine mittels Laserablation von der Gewebeoberfläche erzeugte Licht emittierende Schwade an einem Zeitgatter in der Größenordnung einer Nanosekunde spektroskopisch gemessen wird, und die Zusammensetzung des Gewebes auf Basis des Schwadenspektrums analysiert wird, um hierdurch Verletzungen oder Anomalien des Gewebes zu diagnostizieren, wobei die Vorrichtung einen Mehrkanal-Spektrometer (Polychromator) zum Erfassen der Licht emittierenden Schwade aufweist und gekennzeichnet ist durch einen Verschluß zwischen der Lichtquelle und einer Linse gegenüber dem biologischen Material; einen Photodetektor für das Erfassen eines Teils des Laserimpulses aus der Lichtquelle; ein Oszilloskop, welches einen Ausgang des Photodetektors überwacht, um eine Verzögerungszeit eines Gatter-Auslöseimpulses zu messen, welcher an einen Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker geliefert wird; einen Impulsgeber, der in der Lage ist, die Verzögerungszeiten zweier Ausgangsimpulse synchron mit dem belichtenden Laserimpuls unabhängig und frei einzustellen; eine mit dem Impulsgeber und dem Oszilloskop verbundene Gattersteuerung; den Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker, welcher den Ausgang des Mehrkanal-Spektrometers verstärkt und abbildet, dessen Gatter mittels der Gattersteuerung für eine Zeitdauer in der Größenordnung einer Nanosekunde geöffnet wird; eine CCD-Kamera, die ein Ausgangsbild vom Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker aufnimmt und eine Datenverarbeitungsvorrichtung mit einem Vollbild-Datenspeicher, welcher spektroskopische Bilddaten eines Vollbildes von der CCD-Kamera (a) als ein Zeitfolgen-Analogsignal aufnimmt und das Analogsignal in eine Digitalsignal-Übertragung an einen Rechner umwandelt.
Vorteilhafterweise wird biologisches Gewebe mittels Laserablation angeregt und verdampft, und die mittels Verdampfen und Anregen erzeugten Spektren einer Licht emittierenden Schwade werden in Abständen von der Größenordnung einer Nanosekunde erfaßt.
Bevorzug ist die Lichtquelle eine Laserlichtquelle, welche einen Nanosekunden-Laserimpuls im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im IR-Bereich erzeugt.
Bequemerweise ist die Lichtquelle ein mittels Blitzlampen oder Halbleiterlaser angeregter Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser oder ein mittels Halbleiterlaser angeregter Festkörper-Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser.
Vorteilhaferweise umfaßt ein Laserstrahl der Lichtquelle Licht einer Wellenlänge, die länger ist, als die Wellenlänge der zu erfassenden Licht emittierenden Schwade.
Bevorzugt wird eine spektroskopische Diagnose mit sehr geringer Invasion mittels einer Bestrahlung des biologischen Gewebes mit einem einzigen Laserimpuls ermöglicht.
Bequemerweise ist der Mehrkanal-Spektrometer so aufgebaut, daß ein durch einen Eingangsspalt eintretender Lichtstrahl mittels mehrerer Gitter in mehrere Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen aufgespalten wird und daß Lichtstrahlen, die Wellenlängen in einen vorbestimmten Bereich aufweisen, durch eine Ausgangsöffnung unter unterschiedlichen Winkeln gleichzeitig austreten.
Vorteilhafterweise wird die Gitterstrichdichte des Gitters wahlweise auf 150/mm, 300/mm, 600/mm oder 1200/mm gesetzt.
Bevorzugt bilden Lichtstrahlen mit Wellenlängen in einem bestimmten Bereich, welche aus dem Mehrkanal-Spektrometer austreten, ein Bild auf Bildpunkten der CCD-Kamera.
Bequemerweise umfaß die Vorrichtung außerdem Mittel, um den Betrieb des Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers und der CCD-Kamera mittels eines Auslöseimpulses aus der Lichtquelle zu synchronisieren.
Vorteilhafterweise ist das biologische Gewebe biologisch hartes Gewebe, beispielsweise ein Haar, ein Nagel oder ein Zahn.
Bevorzugt ist das biologische Gewebe biologisch weiches Gewebe, beispielsweise eine Gefäßwand oder subepidermales Gewebe.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Diagramm der Struktur eines spektroskopischen Nanosekundengatter-Systems nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 ein schematisches Diagramm der Struktur eines erfindungsgemäßen Multikanal-Spektrometers(Polychromatos);
3 ein Diagramm, eine Fotografie und einen Graph, die eine erfindungsgemäße spektroskopische Bildverarbeitung veranschaulichen;
4 einen Graph und Fotografien, welche ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Wellenlängenkallibrierung veranschaulichen;
5 Graphen, welche Ergebnisse aus Messungen veranschaulichen, welche durchgeführt wurden, während die Gatter-Breite eines erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers verändert wurden;
6 einen Graph, welcher die Ergebnisse der Messung veranschaulicht, die in einem ersten Beispiel der Erfindung durchgeführt wurden, um die zeitliche Veränderung einer von einem menschlichen Nagel erzeugten Licht emittierenden Schwade zu messen;
7 einen Graph, welcher die Ergebnisse einer Analyse zeigt, die in einem ersten Beispiel der Erfindung durchgeführt wurde, um die von einem menschlichen Nagel erzeugte Licht emittierende Schwade zu analysieren;
8 einen Graph, welcher die Ergebnisse einer Analyse zeigt, die in einem zweiten Beispiel der Erfindung durchgeführt wurde, um die von einem menschlichen Haar erzeugte Licht emittierende Schwade zu analysieren;
9 einen Graph, welcher die Ergebnisse einer Analyse zeigt, die in einem dritten Beispiel der Erfindung durchgeführt wurde, um die von einem menschlichen Zahn erzeugte Licht emittierende Schwade zu analysieren; und
10 einen Graph, welcher die Ergebnisse einer Analyse zeigt, die in einem vierten Beispiel der Erfindung durchgeführt wurde, um eine von einer Hühnerhaut erzeugte Licht emittierende Schwade zu analysieren.
Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung genauer beschrieben.
Die Erfindung liefert eine spektroskopische Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung, welche Laserablation biologischen Gewebes nutzt. Die Merkmale und Funktionen einer Laserstrahlenquelle; eines Systems zur Impulserzeugung, Impulssynchronisation, Verzögerungssteuerung; eines spektroskopischen Zeitgatter-Systems und eines spektroskopischen Bildverarbeitungssystems der Vorrichtung werden nachfolgend beschrieben. Zusätzlich wird ein Verfahren erklärt, mit dem die Gatter-Breite zur Messung eines Spektrums bestimmt wurde.
1 zeigt in einem Diagramm die Struktur eines spektroskopischen Nanosekundengatter-Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Lichtquelle 1 (beispielsweise einem Blitzlampen angeregten oder Halbleiterlaser angeregten Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser oder einem Halbleiterlaser angeregten Festkörper-Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser), einer mit der Lichtquelle 1 verbundenen Lasersteuerung 2, einem Halbspiegel 3, Linsen 4, 12, einem Photodetektor 5 (Lawinen-Photodiode: HAPD), einem Oszilloskop 6 zum Messen/Beobachten einer Gatter-Impulsverzögerungszeit, einer Gattersteuerung 7 für einen Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker, einem Impulsgeber 8 (PG), einer CCD-Kamera 9, einer Datenverarbeitungseinheit 10 mit einer Bildverarbeitungsfunktion (Personalcomputer: PC); einem Vollbild-Datenspeicher 10a (einem Frame-Grabber), einem Verschluß 11, biologischem Gewebe 13 (beispielsweise einem menschlichen Nagel), einer Licht emittierenden Schwade 14, einer optische Faser 15, einem Polychromator 16 (Mehrkanal-Spektrometer) und einem Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker 17.
Die Arbeitsweise des spektroskopischen Nanosekundengatter-Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden beschrieben.
Ein einzelner Laserimpuls (Impulsbreite: 10 bis 90 ns) aus der Lichtquelle 1 (beispielsweise einem Güteschaltbetrieb-NG:YAG-Laser) wird durch den Verschluß 11 geleitet und fokussiert auf das biologische Gewebe (beispielsweise einen menschlichen Nagel) 13 geschienen. Dies führt dazu, daß eine sehr kleine Menge des Gewebes (Durchmesser: etwa 50 Mikrometer, Tiefe: etwa einige wenige Mikrometer) verdampft (abladiert bzw. abgetragen wird) und somit ein angeregter Zustand erzeugt wird, so daß eine Licht emittierende Schwade (eine spindelförmige Licht emittierende Substanz) 14 erzeugt wird.
Sofort nach der Laserbestrahlung verdampft Wasser hauptsächlich aus der Nachbarschaft der Oberfläche des biologischen Gewebes (menschlichen Nagels) 13, und eine helle spindelförmige Emissionsschwade (im folgenden eine führende Schwade genannt) wird erzeugt und zum Wachsen gebracht. Zusätzlich wird etwa 100 Nanosekunden nach der Laserbestrahlung die Oberfläche des Gewebes (menschlichen Nagels) abgeschiefert, so daß eine "folgende Schwade" erzeugt wird. Die folgende Schwade ist eine verdampfte und angeregte Substanz, welche biologische Gewebekomponenten zum Analysieren mittels Messen von Emissionsspektren enthält.
Zum Messen der Emissionsspektren der folgenden Schwade wird das folgende Verfahren durchgeführt. Ein Teil des Laserimpulses aus der Lichtquelle 1 wird mittels eines Photodetektors (Lawinen-Photodiode: APD) 5 erfaßt. Während die Zeit, während der Laserimpuls erfaßt wird, als ein Bezugspunkt fungiert, wird eine Verzögerungszeit einer Gatter-Auslöseimpuls-Ausgabe des Impulsgebers 8 gemessen und mittels des Oszilloskops 6 auf einen vorbestimmten Wert zwischen 300 und 400 Nanosekunden gesetzt. Zusätzlich wird die Gattersteuerung 7 für den Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker 17 benutzt, um das Gatter des Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers 17 innerhalb eines Zeitfensters von 10 Nanosekunden zu öffnen. Mit dieser Arbeitsweise fängt der Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker 17 ein spektroskopisches 10-Nanosekunden-Zeitgatter-Bild des Emissions spektrums der folgenden Schwade ein, welches mittels der optischen Faser 15 und des Polychromators 16 erfaßt wird.
Ferner wird eine Bildausgabe (spektroskopische Bilddaten) vom Verstärker 17 mittels der CCD-Kamera 9 eingefangen, und die Daten werden in einen Zeitfolgen-Signalimpuls umgewandelt. Anschließend werden die Signaldaten über den Frame-Grabber 10A (Vollbild-Datenspeicher) zur Verarbeitung an einen Datenverarbeitungsvorrichtung mit einem PC 10 übermittelt. Der Frame-Grabber 10A sammelt/speichert Daten für ein Vollbild bzw. Einzelbild der CCD-Kamera oder eines Fernsehers als ein Zeitfolgen-Signal in einem vorbestimmten Speicher, wandelt das Zeitfolgen-Signal (analoge Signal) in ein 8-Bit- oder 10-Bit-Digitalsignal um und überträgt das Digitalsignal an einen Computer. In Abhängigkeit von der Speicherkapazität können typischerweise Bilddaten für zehn oder mehr Vollbilder gleichzeitig gesammelt/gespeichert werden, und wenn nötig wird ein gewünschter Vollbild-Datensatz in den Computer gespeist.
In diesem System können Photospektren im Bereich von 300 bis 900 nm gemessen und mit einer Wellenlängengenauigkeit von 1 nm angezeigt werden (die Messung wird für jeden der vier in dem Bereich definierten Unterbereiche durchgeführt).
In der Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung ermöglicht Strahlung eines einzigen Laserimpulses eine spektroskopische Analyse der Licht emittierenden Schwade einer verdampften Substanz, um so eine optische Diagnose in einer im Wesentlichen nicht-invasiven Weise zu erlauben.
Insbesondere können Ionen eines Metalls, beispielsweise Ca, Na oder K, welches eine hohe Ionisationstendenz aufweist, effektiv erfaßt werden.
Somit ermöglicht das System beispielsweise die Diagnose von Osteoporose bei einer älteren Person mittels Messung der Ca-Menge in ihrem Nagel oder ihrem Haar.
Die Erfindung bietet ein neues Verfahren und eine Vorrichtung, zum verdampfen einer sehr kleinen Menge eines biologischen Gewebes mittels eines Laserimpulses, welcher als eine Probe zur Diagnose einer Verletzung des Gewebes dient. Das Verfahren und die Vorrichtung haben ein hohes Potential, um zusammen mit der herkömmlichen Fluoreszenz-Diagnosetechnik eine Schlüsseltechnologie für optische Biopsien zu werden.
Weiterhin kann ein mittels Halbleiterlaser (LD) angeregter Festkörper-Nd:YAG-Laser benutzt werden, um eine Diagnosevorrichtung mit reduzierter Größe zur Verfügung zu stellen.
Die entsprechenden Teile des spektroskopischen Nanosekundengatter-Systems werden im folgenden genauer beschrieben.
Ein Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser wird zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer Fundamentalwellenlänge von 1.064 nm benutzt. Der Laserstrahl wird mittels einer Linse (Brennweite f = 100 mm) 12 fokussiert und auf ein biologisches Gewebe (einen menschlichen Nagel) 13 gestrahlt, um so das Gewebe abzutragen.
Im System ist der Verschluß 11 zwischen der Lichtquelle 1 und der Linse angeordnet und wird so gesteuert, daß das Gewebe (der menschliche Nagel) 13 beim öffnen des Verschlusses 11 mit einem einzigen Laserimpuls bestrahlt und hierdurch abgetragen wird. Es wird bewirkt, daß ein von der Licht emittierenden Schwade 14 emittierter Lichtstrahl über die optische Faser 15 in den Polychromator 16 dringt.
Der einfallende Lichtstrahl wird dann mittels eines im Polychromator 16 vorgesehenen Gitters in mehrere Lichtstrahlen aufgeteilt, welche den Polychromator 16 verlassen. Die aufgeteilten Lichtstrahlen werden mittels eines Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers 17 verstärkt, so daß ein Bild auf einer Fluoreszenzoberfläche davon gebildet wird. Das so gebildete Fluoreszenzbild wird mittels der CCD-Kamera 9 als ein spektroskopisches Bild aufgenommen. Anschließend werden Bilddatenausgaben von der CCD-Kamera als ein Zeitfolgensignal an den Vollbildaufnehmer 10A gegeben und das analoge Signal wird zur Datenverarbeitung in ein digitales Signal umgewandelt.
Da sich das aus dem Polychromator 16 austretende spektroskopische Bild lateral (in einer der Lichtwellenlänge entsprechenden Richtung) erstreckt, muß das Bildsignal mit einem Faktor von 1.000 bis 1.000.000 verstärkt werden, um das Bild bei einem Zeitgatter (einer Verschlußgeschwindigkeit) von 10 ns einzufangen. Beispielsweise kann ein Bildverstärker C4078-01X (ein Produkt von HAMAMATSU PHOTONICS K.K., minimale Gatterbeite (Verschlußgeschwindigkeit): 3 ns) als Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker 17 verwendet werden.
In dem System wird als Polychromator (Mehrkanal-Spektrometer) 16 der Spekra-Pro-300i, Modell SP-306 (Produkt von Acton Research) benutzt. Der Polychromator umfaßt drei Arten von Gittern und kann Messungen in einem Wellenlängenbereich von 300-900 nm mit einer Genauigkeit von 1 nm durchführen.
2 zeigt ein schematisches Diagramm der Struktur des in der Erfindung benutzten Polychromators.
Wie in 2 gezeigt, wird mittels Gittern 16D–16F ein durch einen Eingangsschlitz 16A eintretender Lichtstrahl entsprechend den verschiedenen Wellenlängen in mehrere Lichtstrahlen (spektrale Komponenten) aufgespalten. Die Bezugsnummern 16B, 16C und 16G bezeichnen jeweils einen spiegelnden Spiegel. Spektrale Komponenten in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich treten gleichzeitig durch eine Ausgangsöffnung 16H unter verschiedenen Winkeln aus und werden an verschiedenen Stellen auf der CCD-Kamera erfaßt.
Als nächstes wird ein Verarbeitungssystem für spektroskopische Bilder beschrieben.
Die aufgespalteten Lichtstrahlen (spektralen Komponenten), welche mittels der Gitter 16D–16F im Polychromator 16 aufgespaltet wurden, bilden ein spektroskopisches Bild auf der CCD-Kamera 9. Im spektroskopischen Bild entspricht die horizontale Achse der Wellenlänge.
Die so erhaltenen Zeitfolgendaten werden an einen Personalcomputer gegeben und verarbeitet.
Die 3(a), 3(b), und 3(c) zeigen ein Diagramm, eine Fotografie und einen Graph, welche eine erfindungsgemäße spektroskopische Bildverarbeitung veranschaulichen. 3(a) zeigt ein Aufteilen von Licht mittels der Gitter 16D–16F des Polychromators 16. 3(b) zeigt ein von der CCD-Kamera 9 eingefangenes spektroskopisches Bild. 3(c) zeigt ein Spektrum, welches schließlich erhalten wird.
Da der Lichtstrahl mittels der Gitter 16D–16F nicht vertikal aufgespalten wird, haben entlang einer vertikalen Linie erfaßte Photonen dieselbe Wellenlänge. Daher erhält man durch Integration in der vertikalen Richtung ein Spektrum nach 3(c). Für diese Verarbeitung wurde Win-View, eine Software-Anwendung für spektrale Analysen, verwendet.
Im folgenden wird das Kalibrieren einer Wellenlängenskala beschrieben.
Die aus dem Polychromator 16 tretenden Lichtstrahlen bilden Bilder auf den Bildpunkten der CCD-Kamera 9. Für eine getreue Messung muß eine Kalibration so vorgenommen werden, daß eine richtige Beziehung zwischen den Bildern und den Wellenlängen erstellt wird. In dieser Ausführungsform wurde für das Kalibrieren eine Quecksilberlampe verwendet.
4(a), 4(b) und 4(c) zeigen einen Graph und Fotografien, welche ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Wellenlängenkalibration veranschaulichen. 4(a) zeigt das bekannte Spektrum einer Quecksilberlampe. 4(b) zeigt ein spektroskopisches Bild der Quecksilberlampe. 4(c) zeigt ein kalibriertes spektroskopisches Bild der Quecksilberlampe.
Zunächst wird, wie in 4(a) gezeigt, ein Lichtstrahl der Quecksilberdampflampe gespalten und ein so erhaltenes spektroskopisches Bild eingefangen, welches in 4(b) gezeigt ist. Im in 4(a) dargestellten Wellenlängenbereich werden zwei bekannte Emissionslinien von Quecksilber an den Wellenlängen 405 und 435 nm beobachtet. Kalibration an allen Wellenlängen in einem beabsichtigten Wellenlängenbereich kann dadurch vorgenommen werden, daß bewirkt wird, daß die zwei Wellenlängen, welche den zwei Emissionslinien entsprechen, im spektroskopischen Bild beobachtet werden. Für diese Kalibration wurde Win-Spec., eine Software-Anwendung für spektrale Analyse, verwendet.
Ein Irmpuls-Synchronisations-/Impuls-Verzögerungssystem wird im folgenden beschrieben.
Ein Synchronisationssystem ist ein sehr wichtiger Faktor in einer im Nanosekundenbereich durchgeführten spektroskopischen Analyse.
Wie in 1 gezeigt, wurde die Lawinenphotodiode (APD) 5 für das Erfassen eines Ausgang-Laserimpulses benutzt und das Ausgangssignal und das Gattersignal des Hochgeschwindigkeitgatter-Bildverstärkers 17 wurden mittels des Oszilloskops 6 synchron Beobachtet, um eine Verzögerungszeit der Gattersignalausgabe aus dem Impulsgeber 8 zu messen.
Die Gatterbreite und die Verzögerungszeit (t_d) des Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers 17 werden vom Impulsgeber 8 gesteuert. Der Verstärker 17 und die CCD-Kamera 9 werden synchron mit dem Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser 1 betrieben.
Im folgenden wird das Ermitteln der Gatterbreite des Hochgeschwindigkeitgatter-Bildverstärkers beschrieben.
Um eine Gatterbreite t_g zu ermitteln, welche für eine spektroskopische Analyse von Emissionsspektren einer Licht emittierenden Schwade geeignet ist, wurden die Spektren gemessen, während die Gatterbreite des Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers 17 verändert wurde.
5 zeigt Graphen, welche die Ergebnisse der Messung veranschaulichen, welche durchgeführt wurde, während die Gatterbreite eines Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers verändert wurde. 5(a) zeigt ein Spektrum eines menschlichen Zahns, wenn die Gatterbreite auf 50 ns und die Verzögerungszeit t_d auf 150 ns gesetzt war. 5(b) zeigt Spektren des menschlichen Zahns, wenn die Gatterbreite auf 10 ns gesetzt war und die Verzögerungszeit die Werte 110, 120, 130, 140 und 150 ns annahm.
Das Spektrum in 5(a) wurde für den Fall erhalten, in welchem die Gatterbreite bei einer Verzögerungszeit von 150 ns nach der Bestrahlung des Laserimpulses 50 ns betrug. Das Bild entspricht der Summe von 5 Bildern, welche bei einer Verzögerungszeit von 110, 120, 130, 140 bzw. 150 ns erhalten wurden, wobei die Gatterbreite 10 ns betrug.
Wie aus 5(a) ersichtlich, sind in dieser Messung einige Emissionslinien zu beobachten. Wie jedoch in 5(b) gezeigt, wurde mittels einer Messung, in der die Spektren der Licht emittierenden Schwade bei einer Gatterbreite von 10 ns gemessen wurden, während die Verzögerungszeit nach der Laserbestrahlung in fünf Schritten von 100 ns bis 150 ns verändert wurde, festgestellt, daß sich die Spektren der Schwade zwischen 100 ns und 150 ns nach der Laserbestrahlung sehr verändern. Das heißt, wenn die Gatterbreite auf 10 ns gesetzt war, dann war die Emissionslinie in der Nähe von 390 mm, welche wegen des Vorhandenseins anderer Emissionslinien nicht klar bestimmt war, wenn die Gatterbreite auf 50 ns gesetzt wurde, bis zu einer Verzögerungszeit t_d von 150 ns klar zu beobachten.
Daraus folgt, daß die Gatterbreite von 50 ns im Hinblick auf die Zeitauflösung nicht ausreicht. Obwohl die Gatterbreite auf 3 ns verkürzt werden kann, führt dies zur Verminderung der Lichtqualität. Daher wurde die Gatterbreite auf 10 ns gesetzt.
Im folgenden werden die Bedingungen für Laserbestrahlung und für die spektoskopische Analyse beschrieben.
Die Bedingungen für eine Laserablation und für die erfindungsgemäße spektroskopische Nanosekundengatter-Messung sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt.
Beispielsbedingungen für spektroskopische Messungen umfassen eine Gatterbreite (diese kennzeichnet die Zeitauflösung der Spektren einer Licht emittierenden Schwade) und einen Wellenlängenbereich der Messung, welche sich gemäß des Gitters 8 ändert.
Die Gatterbreite wurde auf 10 ns gesetzt, und der Wellenlängenbereich der Messung umfaßte 180 nm, da ein Gitter mit einer Gitterstrichdichte von 300/mm verwendet wurde.
Die Erfindung erlaubt eine sofortige spektrale Analyse einer Licht emittierenden Schwade mittels Bestrahlen einer biologischen Gewebeprobe mit einem einzigen Laserimpuls.
Außerdem wird ein Bestrahlen einer biologischen Gewebeprobe mit einem einzigem Laserimpuls mittels Anordnen eines Verschlusses zwischen der Lichtquelle und der Probe ermöglicht.
Da der Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker mittels eines Auslöseimpulses des Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Lasers mit der CCD-Kamera synchronisiert ist, können darüber hinaus eine von der Laserablation verursachte Lichtemission und ein Erfassen eines davon erhaltenen spektroskopischen Bildes synchronisiert werden.
Einige Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden beschrieben.
Eine spektroskopische Nanosekundengatter-Analyse der Laserablation biologischen Gewebes wurde durchgeführt. Um Änderungen im biologischen Gewebe nach der Laserablation zu beobachten, wurden ferner Mikrophotogramme aufgenommen.
(1) Zeitliche Veränderungen einer Licht emittierenden Schwade
Wenn ein vom Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser emittierter Laserstrahl auf einen menschlichen Zahn gestrahlt wurde, wurden mittels stroboskopischer Mikroskopie zwei Schwaden mit unterschiedlichen Wachstumsraten in Luft (führende und verfolgende Schwaden) beobachtet. Um diese zwei Schwaden zeitlich voneinander zu trennen, wurden zunächst zeitliche Veränderungen der Emissionsspektren der Schwaden des menschlichen Nagels gemessen.
Die Graphen in den 6(a), 6(b) und 6(c) veranschaulichen die Ergebnisse einer Messung, welche in einer ersten Ausführungsform der Erfindung durchgeführt wurde, um zeitliche Veränderungen einer aus dem menschlichen Nagel erzeugten Licht emittierenden Schwade zu messen. 6(a), 6(b) und 6(c) zeigen Emissionsspektren bei Verzögerungszeiten (t_d) von 200 ns, 300 ns und 400 ns. In allen Fällen war die Laserimpulsbreite auf 35 ns gesetzt, die Gatterbreite des Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers war auf 10 ns gesetzt und die Impulsenergie betrug 17 mJ.
In 6(a) wird eine starke Emissionslinie in der Nähe einer Wellenlänge von 500 nm beobachtet, wenn die Verzögerungszeit 200 ns beträgt (das bedeutet, 200 ns nach der Laserbestrahlung).
Wie aus den 6(b) und 6(c) ersichtlich, vermindert sich jedoch die Emissionslinie allmählich, wenn t_d bis zu 300 ns und 400 ns verlängert wird, und daher wird angenommen, daß die Linie die Emissionslinie von Stickstoff (N) ist, welcher ein Bestandteil der führenden Schwade des menschlichen Nagels ist.
Im Gegensatz dazu, wird in der Nähe einer Wellenlänge von 390 nm eine Emissionslinie beobachtet, welche wächst, wenn t_d auf 300 ns. verlängert wird. Die Linie entspricht einem Emissionsspektrum von Calcium (Ca), welches in der folgenden Schwade des menschlichen Nagels enthalten ist. Daher wird, nachdem t_d über 300 ns hinaus verlängert wird, der Effekt der führenden Schwade auf das Spektrum drastisch vermindert, und die folgende Schwade, welche die Bestandteile des biologischen Gewebes wiedergibt, beeinflußt das Spektrum stark. Daher kann die Zusammensetzung des biologischen Gewebes auf Basis der Ergebnisse der spektroskopischen Zeitgatteranalyse analysiert werden.
(2) Spektroskopische Analyse einer Licht emittierenden Schwade
7 zeigt in einem Graph die Ergebnisse einer Analyse, welche im ersten Beispiel der Erfindung durchgeführt wurde, um eine von einem menschlichen Nagel erzeugte Licht emittierende Schwade zu analysieren. In diesem Fall war die Laserimpulsbreite auf 35 ns gesetzt, die Gatterbreite des Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers war auf 10 ns gesetzt und die Pulsenergie betrug 17 mJ.
Wie in 7 gezeigt, wurde die Analyse bei einer Verzögerungszeit (t_d) von 400 ns durchgeführt, um die Bestandteile der folgenden Schwade des menschlichen Nagels zu ermitteln. Mittels Bestrahlen eines einzigen Laserimpulses kann ein Bereich von 180 nm gemessen werden. Daher wurde die Messung viermal durchgeführt, um ein Spektrum in einem Bereich von 380 bis 900 nm zu erhalten.
In dem Spektrum werden zwei starke Emissionslinien in der Nähe von 390 nm beobachtet, die Emissionslinien von Calcium (Ca) sind. Im Spektrum werden zwei weitere Emissionslinien bei 589 nm und 658 nm beobachtet, welche vermutlich Natrium (Na) bzw. Kohlenstoff (C) entsprechen. Die verbleibenden Spitzen, bei denen angenommen wird, daß sie Calcium (Ca), Sauerstoff (O) und Phosphorsäure (HPO) entsprechen, wurden beobachtet, aber ihre Identifizierung ist schwierig, da Emissionslinien verschiedener Elemente in der Nähe jede dieser Spitzen vorhanden sind.
Zusätzlich wird über einen Spektralbereich von 400 bis 500 nm ein breites Absorptionssprektrum beobachtet, das jedoch nicht identifiziert werden kann. Das Spektrum sollte fortan untersucht werden, weil angenommen wird, daß einige organische Bestandteile ähnliche Absorptionsspektren aufweisen.
Der Ca-Anteil im menschlichen Nagel ist ungefähr 0,1 %. Es wurde jedoch bestätigt, daß die Intensität der Emissionslinie von Ca stärker ist als die von Kohlenstoff (C), aus dem sich Keratin bildet, welches ein Hauptbestandteil des menschlichen Nagels ist. Aus den Ergebnissen folgt, daß das Meßsystem gegenüber Calcium (Ca) eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Im Hinblick auf die vorangehende Ausführung wurden verschiedene biologische Geweben mittels Emissionslinien von Calcium spektroskopisch analysiert.
Die Ergebnisse der für verschiedene biologische Geweben ausgeführte spektroskopische Analyse werden im folgenden beschrieben:
(1) Ergebnisse der Analyse von menschlichem Haar
8 zeigt in einem Graph die Ergebnisse einer Analyse, welche in einem zweiten Beispiel der Erfindung durchgeführt wurde, um eine von einem menschlichen Haar erzeugte Licht emittierende Schwade zu analysieren. In diesem Fall war die Laserimpulsbreite auf 35 ns gesetzt, die Gatterbreite des Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers war auf 10 ns gesetzt und die Impulsenergie betrug 17 mJ.
Wie in 8 dargestellt, wurde die Messung mit einer Verzögerungszeit t_d von 400 ns durchgeführt. Der Anteil von Ca im menschlichen Haar ist ungefähr 0,1 %, aber die Emissionslinie von Ca wurde offensichtlich beobachtet. Die Messung konnte mittels Benutzung eines einzigen Haarschaftes durchgeführt werden, da der Durchmessers des Laserstrahls in einem Fokuspunkt bis zu 50 Mikrometer klein ist. Da der Ca-Anteil vom Haar den im Körper widerspiegelt, wird die Analyse voraussichtlich in der medizinischen Diagnose angewendet werden.
(2) Ergebnisse der Analyse eines menschlichen Zahns
In 9 zeigt ein Graph die Ergebnisse einer Analyse, welche in einem dritten Beispiel der Erfindung durchgeführt wurde, um eine von einem menschlichen Zahn erzeugte Licht emittierende Schwade zu analysieren. In diesem Fall war die Laserimpulsbreite auf 35 ns gesetzt, die Gatterbreite des Hochgeschwindigkeits-Verstärkerbildes war auf 10 ns gesetzt und die Pulsenergie betrug 17 mJ.
Wie in 9 gezeigt, wurde die Messung bei einer Verzögerungszeit t_d von 400 ns durchgeführt. Wie aus der Figur ersichtlich, hat im Falle des Zahns die Emissionslinie von Ca eine sehr hohe Intensität im Vergleich zu den Fällen des Nagels und des Haars, da der Calciumanteil des Zahns (Zahnschmelz) 36 % ist.
(3) Ergebnisse einer spektralen Analyse von Hühnerhaut
10 zeigt in einem Graph die Ergebnisse einer Analyse, welche in einem vierten Beispiel der Erfindung durchgeführt wurde, um eine von einer Hühnerhaut erzeugte Licht emittierende Schwade zu analysieren. In diesem Fall war die Laserimpulsbreite auf 35 ns gesetzt, die Gatterbreite des Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers war auf 10 ns gesetzt und die Impulsenergie betrug 17 mJ.
Wie in 10 dargestellt, wurde die Messung bei einer Verzögerungszeit t_d von 400 ns durchgeführt. Die dem Ca entsprechende Spitze wurde kaum beobachtet, da der Calciumanteil von Hühnerhaut sehr gering ist. Währenddessen wurde über den gesamten Bereich von 360 bis 540 nm eine breite Spitze beobachtet, welche einem Absorptionsspektrum ähnelt. Die breite Spitze ist vermutlich organischen Komponenten zuzurechnen, wie in der vorangehenden spektroskopischen Analyse von Licht emittierenden Schwaden beschrieben wurde.
Im spektroskopischen Nanosekundenagatter-System der Erfindung wurde biologisches Gewebe auf Basis einer mittels Laserablation erzeugten Licht emittierenden Schwade spektroskospisch analysiert, wobei ein aus dem Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser mit einer fundamentalen Wellenlänge von 1064 nm emittierter Laserstrahl verwendet wurde.
Als Ergebnis konnte eine den Calcium im biologischen Gewebe entsprechende Emissionslinie mit hoher Empfindlichkeit gefunden werden. Die Erfinder nehmen an, daß die Intensität einer Calcium-Emissionslinie dem Calciumanteil des biologischen Gewebes entspricht und daß dieses Phänomen optische klinische Diagnosen ermöglicht. Beispielsweise kann eine Emissi onslinie von Calcium (Ca), welche wie vorangehend beschrieben offensichtlich beobachtet wurde, als Basis für eine Diagnose von Osteoporose dienen und der Grad der Alterung kann hierdurch ermittelt werden. Außerdem kann eine Schwermetallvergiftung mittels spektroskopischer Analyse des Haars diagnostiziert werden.
Die Erfindung führt zu den folgenden Effekten:

(1) In der unter (1) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung kann eine spektroskopische Analyse einer Licht emittierenden Schwade einer verdampften Substanz mittels Bestrahlen einer biologischen Gewebeprobe mit einem einzigen Laserimpuls einfach durchgeführt werden, und eine optische Diagnose kann sofort auf eine im Wesentlichen nicht-invasive Weise durchgeführt werden. Außerdem kann eine winzige Menge von Ionen eines Metalls, beispielsweise Ca, Na oder K, welches eine Ioniastionstendenz aufweist, mittels spektroskopischer Analyse einer aus der Oberfläche eines biologischen Gewebes erzeugten folgenden Schwade effektiv erfaßt werden.
(2) In der unter (2) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung kann eine spektroskopische Analyse einer Licht emittierenden Schwade einer verdampften Substanz schnell und verläßlich durchgeführt werden.
(3) In der unter (3) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung kann eine spektroskopische Analyse einer Licht emittierenden Schwade einer verdampften Substanz mittels einer Mehrzweck-Lichtquelle schnell und verläßlich durchgeführt werden.
(4) In der unter (4) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung kann die Größe der Diagnosevorrichtung reduziert werden.
(5) In der unter (5) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung ist es im Gegensatz zu dem Fall einer herkömmlichen Fluorescence-Diagnose nicht erforderlich, daß der von der Lichtquelle emittierte Laserstrahl eine Wellenlänge hat, welche kürzer ist als die einer zu erfassenden Licht emittierenden Schwade.
(6) In der unter (6) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung kann eine spektroskopische Diagnose mittels Bestrahlen einer biologischen Gewebeprobe mit einem einzigen Laserimpuls getreu durchgeführt werden, während der Grad der Invasivheit auf einen erheblich niedrigen Grad reduziert wird.
(7) In der unter (7) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung wird veranlaßt, daß unterschiedlichen Wellenlängen in einem vorbestimmten Bereich entsprechende Lichtbestandteile gleichzeitig aus einer Ausgangsöffnung unter unterschiedlichen Winkeln austreten, so daß eine Lichtaufspaltung für jede Wellenlänge durchgeführt werden kann.
(8) In der unter (8) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung kann die Auflösung mittels Verändern der Gitterstrichdichte eingestellt werden.
(9) In der unter (9) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung kann verursacht werden, daß die Lichtausgabe aus Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker ein Bild auf den Bildpunkten der CCD-Kamera bildet.
(10) In der unter (10) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung können der Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker und die CCD-Kamera mittels eines Auslöseimpulses aus der Lichtguelle synchronisiert werden, um verläßlich ein spektroskopisches Bild zu erhalten.
(11) In der unter (11) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung kann mittels Laserablation von biologisch hartem Gewebe, beispielsweise einem Haar, einem Nagel oder einem Zahn, der Anteil von Ca ermittelt werden, um Osteoporose zu diagnostizieren.
(12) In der unter (12) beschriebenen spektroskopischen Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung kann mittels Laserablation von biologisch weichem Gewebe, beispielsweise einer Gefäßwand oder subepidermalem Gewebe, der Anteil beispielsweise eines organischen Bestandteils ermittelt werden, um eine nicht-invasive optische Diagnose durchzuführen.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Zahlreiche Modifikationen und Veränderungen der Erfindung sind im Hinblick auf den Erfindungsgedanken möglich und sind nicht vom Bereich der Erfindung ausgeschlossen.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie vorangehend beschrieben, ist eine erfindungsgemäße spektroskopische Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung für eine Diagnose anwendbar, bei der ein Laserimpuls aus einer Lichtquelle fokussiert auf biologisches Gewebe eingestrahlt wird, eine mittels Laserablation von der Gewebeoberfläche erzeugte Licht emittierende Schwade an einem Zeitgatter in der Größenordnung einer Nanosekunde spektroskopisch gemessen und die Zusammensetzung des Gewebes auf Basis des Schwadenspektrums analysiert wird, um hierdurch Verletzungen oder Anomalien des Gewebes zu diagnostizieren.

Claims

Spektroskopische Nanosekundengatter-Diagnosevorrichtung, bei der – ein Laserimpuls aus einer Lichtquelle ein biologisches Gewebe auf eine fokussierte Weise beleuchtet, – eine mittels Laserablation von der Gewebeoberfläche erzeugte Licht emittierende Schwade an einem Zeitgatter in der Größenordnung einer Nanosekunde spektroskopisch gemessen wird, und – die Zusammensetzung des Gewebes auf Basis des Schwadenspektrums analysiert wird, um hierdurch Verletzungen oder Anomalien des Gewebes zu diagnostizieren, wobei die Vorrichtung einen Mehrkanal-Spektrometer (16), beispielsweise einen Polychromator, zur Erfassung der Licht emittierenden Schwade aufweist, gekennzeichnet durch: – einen Verschluß (11) zwischen der Lichtquelle (1) und einer Linse (47) gegenüber dem biologischen Material; – einen Photodetektor (5) für die Erfassung eines Teils des Laserimpulses von der Lichtquelle (1); – ein Oszilloskop (6), welches einen Ausgang des Photodetektors (5) beobachtet, um hierdurch eine Verzögerungszeit eines Gatter-Auslöseimpulses zu messen, welcher an einen Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker (17) geliefert wird; – einen Impulsgeber (8), der in der Lage ist, die Verzögerungszeiten zweier Ausgangsimpulse synchron mit dem belichtenden Laserimpuls, unabhängig und frei einzustellen; – eine mit dem Impulsgeber (8) und dem Oszilloskop (6) verbundene Gattersteuerung (7); – den Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker (17), der den Ausgang des Mehrkanal-Spektrometers (16), dessen Gatter durch die Gattersteuerung (7) für eine Zeitdauer in der Größenordnung einer Nanosekunde geöffnet wird, verstärkt und abbildet; – eine CCD-Kamera (9), die ein Ausgangsbild von dem Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärker (17) aufnimmt, und – eine Datenverarbeitungsvorrichtung (10A) mit einem Vollbild-Datenspeicher, welcher spektroskopische Bilddaten eines Vollbildes von der CCD-Kamera (9) als ein Zeitfolgen-Analogsignal einliest und das Analogsignal in eine Digitalsignal-Übertragung an einen Rechner (10) umwandelt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß biologisches Gewebe mittels Laserablation angeregt und verdampft wird, und daß die mittels Verdampfung und Anregung erzeugten Spektren einer Licht emittierenden Schwade in Abständen in der Größenordnung einer Nanosekunde erfaßt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine Laserlichtquelle ist, welche einen Nanosekunden-Laserimpuls im UV-Bereich, dem sichtbaren Bereich oder dem IR-Bereich erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Lampen angeregter oder Halbleiterlaser angeregter Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser oder ein Halbleiterlaser angeregter Festkörper-Güteschaltbetrieb-Nd:YAG-Laser ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Laserstrahl der Lichtquelle (17) Licht einer Wellenlänge umfaßt, die länger als die Wellenlänge der zu erfassenden Licht emittierenden Schwade ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine spektroskopische Diagnose mit sehr niedriger Invasion aufgrund einer Bestrahlung des biologischen Gewebes mit einem einzigen Laserimpuls ermöglicht ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrkanal-Spektrometer (16) einen Aufbau aufweist, so daß ein durch einen Eingangsspalt eintretender Lichtstrahl mittels mehrerer Gitter in mehrere Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen aufgespalten wird, und daß Lichtstrahlen, die Wellenlängen in einen vorbestimmten Bereich aufweisen, durch eine Ausgangsöffnung bei unterschiedlichen Winkeln gleichzeitig austreten.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstrichdichte des Gitters wahlweise auf 150/mm, 300/mm, 600/mm oder 1200/mm gesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtstrahlen, die Wellenlängen in einem bestimmten Bereich aufweisen und aus dem Mehrkanal-Spektrometer austreten, ein Bild auf Bildpunkten der CCD-Kamera (9) bilden.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel, um den Betrieb des Hochgeschwindigkeitsgatter-Bildverstärkers (17) und den Betrieb der CCD-Kamera (9) mittels eines Auslöseimpulses von der Lichtquelle (1) zu synchronisieren.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das biologische Gewebe biologisch hartes Gewebes ist, wie beispielsweise ein Haar, ein Nagel oder ein Zahn.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das biologische Gewebe biologisch weiches Gewebe ist, beispielsweise etwa eine Gefäßwand oder subepidermales Gewebe.