WO2000028886A1 - Method and device for non-invasive imaging of tissues - Google Patents
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Definitions
- the method according to the invention combines the approaches of "optical tomography” and optical in-vivo substance analysis in a way that overcomes the disadvantages of the individual methods.
- the spectral properties of the measurement object are determined either by using one or more radiation wavelengths or by analyzing the spectrum of the scattered radiation at only one radiation wavelength.
- the measured spatial distribution of the scattered radiation is taken into account by suitable mathematical methods, taking into account the spectral information the distribution of the absorption, scattering, diffusion and reflection coefficients and the anisotropy factor are calculated.
Abstract
The invention relates to a non-invasive imaging method for simultaneously determining optical properties and concentrations of substances in biological tissues using radiation in the VIS/NIR/IR range. The method combines the principles of 'optical tomography' with optical in-vivo substance analysis. The spatial distribution of the radiation dispersed on the object of measurement is measured by spatially highly restricted illumination of several points on the surface of the object. The spectral properties of the object of measurement are determined at the same time. The inventive method therefore provides both absolute concentrations of the substances being investigated and diagnostically useful images of the inside of the body.
Description
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR NICHTINVASIVEN BILDGEBUNG VON GEWEBEMETHOD AND DEVICE FOR NON-INVASIVE IMAGING OF TISSUE
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft ein nichtinvasives bildgebendes Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung von optischen Eigenschaf en und Stoffkonzentrationen in biologischen Geweben durch die Verwendung von Strahlung im VIS/NIR/lR-Bereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine dazu geeignete Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 19.The invention relates to a non-invasive imaging method for the simultaneous determination of optical properties and substance concentrations in biological tissues through the use of radiation in the VIS / NIR / IR range according to the preamble of patent claim 1 and a device suitable for this according to the preamble of patent claim 19.
Stand der TechnikState of the art
Zur Bestimmung der räumlichen Verteilung von optischen Eigenschaften wie Absorptions- und Streukoeffizient von Geweben sind unter dem Oberbegriff „Optische Tomographie" bereits eine Reihe von Verfahren beschrieben worden. Nur exemplarisch wird hierzu verwiesen auf:A number of methods for determining the spatial distribution of optical properties such as absorption and scattering coefficient of tissues have already been described under the generic term "optical tomography".
US 5. 694 . 938, Methodology and apparatus for diffuse photon imaging,US 5,694. 938, Methodology and apparatus for diffuse photon imaging,
US 5. 758 . 653 , Simultaneous absorbtion and diffusion imaging System and method using direct reconstruc- tion of scattered radiation, US 5. 349. 951 , Optical CT imaging device, Y. Yao, Y. Wang, Y. Pei, . Zhu, R.L. Barbour; Fre- quency-domain optical imaging of absorption and scattering distributions by a Born iterative method; J. Opt . Soc . Am. A . 14 (1997) 325-342 U. Hampel, R. Freyer; Fast inversion scheme for the linearised problem in optical absorption tomography on objects with radially Symmetrie boundaries; Proc . SPIE 2925 (1996) 31-42,
R. Model, R. Hünlich, M. Orlt, M. Walzl; Image re- construction for random media by diffusion tomogra- phy (OT) ; Proc . SPIE, 2389 (1995) 400-410US 5,758. 653, Simultaneous absorption and diffusion imaging system and method using direct reconstruction of scattered radiation, US 5,349,951, Optical CT imaging device, Y. Yao, Y. Wang, Y. Pei,. Zhu, RL Barbour; Frequency-domain optical imaging of absorption and scattering distributions by a born iterative method; J. Opt. Soc. At the. A. 14: 325-342 (1997) U. Hampel, R. Freyer; Fast inversion scheme for the linearized problem in optical absorption tomography on objects with radially symmetry boundaries; Proc. SPIE 2925 (1996) 31-42, R. Model, R. Hünlich, M. Orlt, M. Walzl; Image reconstruction for random media by diffusion tomography (OT); Proc. SPIE, 2389 (1995) 400-410
Diese Verfahren benutzen Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 600 nm und 1300 nm, um Informationen über die innere Struktur des Meßobjektes zu gewinnen. Das Objekt wird dazu aus verschiedenen Richtungen bestrahlt und die räumliche Verteilung der gestreuten Strahlung detektiert. Meßgrößen können dabei z.B. die Intensität, die Phasenverschiebung einer aufgeprägten Intensitätsmodulation oder die Impulsform der am Objekt gestreuten Strahlung sein. Aus den Meßwerten wird die Verteilung der optischen Parameter im Inneren des Objekts in zwei oder drei Dimensionen rekonstruiert. Ein Problem besteht dabei in der starken diffusen Streuung von Strahlung der genannten Wellenlängen in biologischem Gewebe. Nachteile der bekannten Verfahren bestehen darin, daß die rekonstruierten Bilder sehr unscharf sind und eine geringe Auflösung besitzen und daher für medizinisch-diagnostische Zwecke schlecht geeignet sind.These methods use radiation in the wavelength range between 600 nm and 1300 nm to obtain information about the internal structure of the test object. For this purpose, the object is irradiated from different directions and the spatial distribution of the scattered radiation is detected. Measured variables can e.g. the intensity, the phase shift of an impressed intensity modulation or the pulse shape of the radiation scattered on the object. The distribution of the optical parameters inside the object is reconstructed from the measured values in two or three dimensions. One problem here is the strong diffuse scattering of radiation of the aforementioned wavelengths in biological tissue. Disadvantages of the known methods are that the reconstructed images are very blurred and have a low resolution and are therefore unsuitable for medical-diagnostic purposes.
Daneben wurden Verfahren entwickelt und beschrieben, die mit Hilfe optischer Methoden die nichtinvasive Bestimmung von Stoffkonzentrationen in-vivo ermöglichen, dabei aber keine Ortsauflösung erlauben. Hierzu wird auf folgende Druckschriften verwiesen:In addition, methods have been developed and described that enable the non-invasive determination of substance concentrations in vivo using optical methods, but do not allow spatial resolution. Please refer to the following publications:
US 4 .281 . 645, Method and apparatus for monitoring metabolism in body organsUS 4,281. 645, Method and apparatus for monitoring metabolism in body organs
US 5. 770 . 454 , Method and apparatus for determining an analyte in a biological sample,US 5,770. 454, Method and apparatus for determining an analyte in a biological sample,
S.Y. Wang, C.E. Hasty, P.A. Watson, J.P. Wicksted, R.D. Stith, W.F. March; Analysis of metabolites in
aqueous Solutions by using laser Raman spectroscopy (OT) ; Appl . Opt . 32 (1993) 925-929SY Wang, CE Hasty, PA Watson, JP Wicksted, RD Stith, WF March; Analysis of metabolites in aqueous solutions by using laser Raman spectroscopy (OT); Appl. Opt. 32 (1993) 925-929
Zur Korrektion des Einflusses der Streuung im Gewebe wird dabei von einem idealen homogenen Medium ausgegangen, was bei realen Meßobjekten zu Fehlern in den Konzentrationen der zu bestimmenden Stoffe führen kann.In order to correct the influence of the scatter in the tissue, an ideal homogeneous medium is assumed, which can lead to errors in the concentrations of the substances to be determined in real measurement objects.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren kombiniert die Ansätze der „Optischen Tomographie" und der optischen in-vivo Stoffanalyse in einer Weise, die die Nachteile der Einzelverfahren überwindet. Dabei wird die räumliche Verteilung der am Meßobjekt gestreuten Strahlung bei räumlich eng begrenzter Bestrahlung mehrerer Punkte auf der Oberfläche des Objektes gemessen. Gleichzeitig werden die spektralen Eigenschaften des Meßobjekts bestimmt, indem entweder eine oder mehrere Bestrahlungswellenlängen verwendet werden oder eine Analyse des Spektrums der Streustrahlung bei nur einer Bestrahlungswellenlänge erfolgt. Aus der gemessenen räumlichen Verteilung der Streustrahlung wird unter Berücksichtigung der spektralen Information durch geeignete mathematische Verfahren die Verteilung der Absorptions-, Streu-, Diffusions- und Reflektionskoeffizienten sowie des Anisotropiefaktors berechnet.The method according to the invention combines the approaches of "optical tomography" and optical in-vivo substance analysis in a way that overcomes the disadvantages of the individual methods. Thereby the spatial distribution of the radiation scattered on the measurement object with spatially narrowly irradiated multiple points on the surface of the At the same time, the spectral properties of the measurement object are determined either by using one or more radiation wavelengths or by analyzing the spectrum of the scattered radiation at only one radiation wavelength. The measured spatial distribution of the scattered radiation is taken into account by suitable mathematical methods, taking into account the spectral information the distribution of the absorption, scattering, diffusion and reflection coefficients and the anisotropy factor are calculated.
Durch die oben beschriebene Kombination von nichtinva- siven optischen Verfahren zur Bildgebung und zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen ist eine wechselseitige positive Beeinflussung möglich. Die Vorteile dieser Kombination liegen zum einen in der leichteren Erkennbarkeit von pathologischen Gewebebereichen und zum
anderen in der Berücksichtigung von Gewebeinhomogenitäten bei der Stoffanalyse .The combination of non-invasive optical methods for imaging and for determining substance concentrations described above enables a mutual positive influence. The advantages of this combination are, on the one hand, the easier recognition of pathological tissue areas and, on the other hand others in the consideration of tissue homogeneity in the substance analysis.
Die Aufgabe wird durch die im folgenden beschriebene Vorrichtung gelöst, die das oben dargelegte Verfahren anwendet. Die Vorrichtung besteht aus: a) einer Meßeinheit, mit deren Hilfe das zu untersuchende Objekt an mehreren Punkten auf der Oberfläche bestrahlt und die gestreute Strahlung aufgenommen wird und b) aus einer damit verbundenen computergestützen Steuer- und Auswerteeinheit, die zum einen die Meßsequenz steuert, zum anderen die von der Meßeinheit kommenden Signale auswertet und die Ergebnisse auf einem Display anzeigt.The object is achieved by the device described below, which uses the method set out above. The device consists of: a) a measuring unit, with the aid of which the object to be examined is irradiated at several points on the surface and the scattered radiation is recorded, and b) from a connected computer-assisted control and evaluation unit, which on the one hand controls the measuring sequence, on the other hand evaluates the signals coming from the measuring unit and shows the results on a display.
Für das Verfahren sind mindestens eine Strahlungsquelle und ein Detektor notwendig. Sie können jeweils entweder in der Meß- oder der Steuer- und Auswerteeinheit integriert sein. Die Übertragung der Signale zwischen der Meß- und der Steuer- /Auswerteeinheit erfolgt abhängig davon optisch über Lichtleiter oder elektrisch über geeignete Verbindungen.At least one radiation source and one detector are necessary for the method. They can either be integrated in the measuring or the control and evaluation unit. Depending on this, the signals between the measuring and control / evaluation unit are transmitted optically via optical fibers or electrically via suitable connections.
Die Gewinnung spektraler Information kann durch vier verschiedene Varianten bewerkstelligt werden:There are four different ways of obtaining spectral information:
1) Wellenlängendurchstimmung einer Strahlungsquelle,1) wavelength tuning of a radiation source,
2) Verwendung mehrerer Strahlungsquellen mit verschiedenen Wellenlängen,2) use of multiple radiation sources with different wavelengths,
3) spektrale Zerlegung der Strahlung einer schmalbandi- gen Quelle nach Durchtritt durch das Objekt und3) spectral decomposition of the radiation from a narrowband source after passing through the object and
4) spektrale Zerlegung der Strahlung einer breitbandi- gen Strahlungsquelle nach Durchtritt durch das Objekt .
Für die Bestrahlung des Objektes kommen als breitbandi- ge Quellen zum Beispiel thermische Strahler oder auch Blitzlampen in Frage. Als schmalbandige Quellen sind beispielsweise Laserdioden oder mit geeigneten Wellen- längenselektoren gefilterte breitbandige Strahlungsquellen zu verwenden. Die verschiedenen Arten von Strahlungsquellen können im sogenannten „continuous wa- ve", im amplitudenmodulierten oder im gepulsten Modus betrieben werden. Für die Vorrichtung geeignete Detektortypen sind beispielsweise Photomultiplier, Halbleiterdioden oder „Charge coupled devices" (CCDs) . Der oder die Detektoren können dabei einzeln, in einer Zeile oder auf einer Fläche angeordnet sein. Die optische Ankopplung der Quellen und Detektoren kann entweder direkt oder über Lichtleiter erfolgen.4) spectral decomposition of the radiation from a broadband radiation source after passing through the object. For the irradiation of the object, broadband sources can be, for example, thermal radiators or flash lamps. Laser diodes or broadband radiation sources filtered with suitable wavelength selectors are to be used, for example, as narrowband sources. The different types of radiation sources can be operated in so-called "continuous wave", in amplitude-modulated or in pulsed mode. Detector types suitable for the device are, for example, photomultipliers, semiconductor diodes or "charge coupled devices" (CCDs). The detector or detectors can be arranged individually, in a row or on a surface. The sources and detectors can be optically coupled either directly or via light guides.
Die Steuer- und Auswerteeinheit hat die Funktion die definierte Bestrahlung des Objektes an verschiedenen Punkten sowie die Aufnahme der gestreuten Strahlung zu steuern. Die so gewonnenen elektrischen analogen Meßsignale werden dabei in eine von einem Computer verarbeitbare Form umgewandelt (digitalisiert) und in der Steuer- und Auswerteeinheit gespeichert. Mit Hilfe eines geeigneten mathematischen Algorithmus werden diese Daten in zwei- oder dreidimensionale Bilder des Objektes transformiert . Dabei können die Informationen über die Stoffkonzentrationen, z.B. als Falschfarbendarstellung, in die Bilder integriert oder zusätzlich als Werte angezeigt werden.
Kurze Beschreibung der ZeichnungThe control and evaluation unit has the function of controlling the defined irradiation of the object at various points and the recording of the scattered radiation. The electrical analog measurement signals obtained in this way are converted (digitized) into a form that can be processed by a computer and stored in the control and evaluation unit. With the help of a suitable mathematical algorithm, this data is transformed into two- or three-dimensional images of the object. The information about the substance concentrations, for example as a false color representation, can be integrated into the images or additionally displayed as values. Brief description of the drawing
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:The invention is described below with reference to the drawing, in which:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der Meß- und Auswertevorrichtung, undFig. 1 shows an embodiment of the measuring and evaluation device, and
Fig. 2 Mögliche Ausführungsart des Trägers, a) im geöffneten Zustand, b) im geschlossenen Zustand.Fig. 2 Possible embodiment of the carrier, a) in the open state, b) in the closed state.
Beschreibung eines AusführungsbeispielsDescription of an embodiment
Ein mögliches Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung ist in Fig. 1 skizziert. Zur Messung wird ein klappbarer ringförmiger Träger (B) am Objekt (A) fixiert . Auf dem Umfang des genannten Trägers sind in gleichen Abständen Glasfasern (C) derart angebracht, daß die aus den Faserenden austretende Strahlung auf das Objekt fokussiert und gleichzeitig die aus dem Objekt austretende Strahlung in die Faserenden geleitet wird. Über diese Glasfasern wird eine optische Verbindung zur Steuer- und Auswerteeinheit hergestellt. Eine mögliche Ausführung dieses Trägers ist in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2a zeigt die Vorrichtung in aufgeklapptem Zustand zur Einbringung des Meßobjekts. Die Messung erfolgt im geschlossenen Zustand (s. Fig. 2b) . Der Träger besteht aus einem zweiteiligen ringförmigen Grundkörper (K) auf dessen Innenseite sich mehrere Ein- und Austrittsfenster (L) für die Strahlung befinden. Die einzelnen mit den Fenstern verbundenen Glasfasern werden im Inneren des Grundkörpers zu einem Faserbündel (M) zusammengeführt, das die Verbindung zur Steuer- und
Auswerteeinheit herstellt. Darin befinden sich mehrere Laserdioden (E1-E4, s. Fig. 1), die die benötigte Strahlung erzeugen. Jede der Laserdioden sendet Strahlung in einem schmalen Wellenlängenbereich aus. Die Emissionswellenlängen der einzelnen Laserdioden sind dabei so gewählt, daß sie mit charakteristischen Absorptionen der zu bestimmenden Stoffe übereinstimmen. Ein Detektor (F) wandelt die aus dem Objekt austretende Strahlung in elektrische Signale um. Die Faserenden auf Seite der Steuer- und Auswerteeinheit können durch ein optisches Schaltmodul (D) wahlweise mit einer beliebigen Laserdiode oder dem Detektor gekoppelt werden. Eine Mikroprozessoreinheit (G) übernimmt die Steuerung der Datenaufnahme, die Datenspeicherung, die Datenauswertung sowie die Erzeugung einer graphischen Darstellung der Ergebnisse auf einem Display (H) . Die Messung erfolgt, indem die Strahlung einer der Laserdioden durch eine der Fasern auf das Objekt fokussiert wird, alle anderen Fasern nacheinander mit dem Detektor gekoppelt und dessen Meßsignale gespeichert werden. Dieses Verfahren wird sukzessive für die jeweils nächste mit der Laserdiode gekoppelte Faser durchgeführt. Für die ausgewählte Wellenlänge kann so aus den gespeicherten Daten ein zweidimensionales Bild rekonstruiert werden. Zur Bildrekonstruktion wird ein zweidimensionales Modell des Objektes verwendet, bei dem der Querschnitt des Objektes in viele Flächenelemente zerlegt wird. Jedem dieser Flächenelemente wird ein Wert des Streu- und des Absorptionskoeffizienten zugeordnet. Diese Zuordnung erfolgt so, daß die gemessenen Streustrahlungsverteilungen möglichst gut mit den aus dem Modell berechneten übereinstimmen. Diese Prozedur wird für alle an-
deren Wellenlängen durchgeführt, wobei ein wellenlängenabhängiges Bild des Objektes erhalten wird. Aus der Wellenlängenabhängigkeit der Streu- und Absorptionskoeffizienten werden für jedes Flächenelement die Konzentrationen der zu bestimmenden Stoffe berechnet und bildhaft dargestellt. Zu bestimmende Stoffe sind z.B. die als Blutgase bezeichneten Parameter pH, pC02 und p02, sowie die Stoffwechselmetaboliten Harnsäure, Crea- tinin, Glucose, Cholesterin und Laktat. Ist eine dreidimensionale Darstellung des Objektes gewünscht, kann eine Vielzahl von zweidimensionalen Bildern aufgenommen und schichtweise zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden.
A possible embodiment of such a device is outlined in FIG. 1. A foldable ring-shaped support (B) is fixed to the object (A) for the measurement. On the circumference of the carrier mentioned, glass fibers (C) are attached at equal intervals in such a way that the radiation emerging from the fiber ends focuses on the object and at the same time the radiation emerging from the object is directed into the fiber ends. An optical connection to the control and evaluation unit is established via these glass fibers. A possible embodiment of this carrier is shown in Fig. 2. 2a shows the device in the unfolded state for introducing the measurement object. The measurement is carried out in the closed state (see Fig. 2b). The carrier consists of a two-part ring-shaped base body (K) on the inside of which there are a plurality of entry and exit windows (L) for the radiation. The individual glass fibers connected to the windows are brought together in the interior of the base body to form a fiber bundle (M) which connects to the control and Manufactures evaluation unit. There are several laser diodes (E1-E4, see Fig. 1) that generate the required radiation. Each of the laser diodes emits radiation in a narrow wavelength range. The emission wavelengths of the individual laser diodes are chosen so that they match the characteristic absorptions of the substances to be determined. A detector (F) converts the radiation emerging from the object into electrical signals. The fiber ends on the control and evaluation unit side can optionally be coupled to any laser diode or the detector using an optical switching module (D). A microprocessor unit (G) controls the data acquisition, data storage, data evaluation and the generation of a graphical representation of the results on a display (H). The measurement is carried out by focusing the radiation from one of the laser diodes through one of the fibers onto the object, coupling all other fibers to the detector one after the other and storing its measurement signals. This process is carried out successively for the next fiber coupled to the laser diode. A two-dimensional image can be reconstructed from the stored data for the selected wavelength. A two-dimensional model of the object is used for image reconstruction, in which the cross section of the object is broken down into many surface elements. A value of the scatter and the absorption coefficient is assigned to each of these surface elements. This assignment is made in such a way that the measured scattered radiation distributions correspond as closely as possible to those calculated from the model. This procedure is used for all the wavelengths of which are carried out, a wavelength-dependent image of the object being obtained. From the wavelength dependence of the scattering and absorption coefficients, the concentrations of the substances to be determined are calculated and depicted for each surface element. Substances to be determined are, for example, the parameters pH, pC0 2 and p0 2 , which are referred to as blood gases, and the metabolic metabolites uric acid, creaatinin, glucose, cholesterol and lactate. If a three-dimensional representation of the object is desired, a large number of two-dimensional images can be recorded and layered into an overall image.
Claims
Nichtinvasives bildgebendes Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung von optischen Eigenschaften und Stoffkonzentrationen von biologischem Gewebe durch die Verwendung von Strahlung im VIS/NIR/IR- Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßobjekt durch eine räumlich eng begrenzte Bestrahlung mehrerer Punkte auf der Oberfläche des Objektes abgerastert wird, die räumliche Verteilung der am Meßobjekt gestreuten Strahlung gemessen wird, die spektralen Eigenschaften des Meßobjekts bestimmt werden, aus den erhaltenen Meßwerten durch einen geeigneten mathematischen Algorithmus die räumliche Verteilung von optischen Parametern im Inneren des Objektes bestimmt wird, aus den erhaltenen Meßwerten durch einen geeigneten mathematischen Algorithmus die räumliche Verteilung von Stoffkonzentrationen im Inneren des Objektes bestimmt wird.Non-invasive imaging method for the simultaneous determination of optical properties and substance concentrations of biological tissue through the use of radiation in the VIS / NIR / IR range, characterized in that a measurement object is scanned by a spatially limited irradiation of several points on the surface of the object, the spatial distribution of the radiation scattered on the measurement object is measured, the spectral properties of the measurement object are determined, the spatial distribution of optical parameters inside the object is determined from the measurement values obtained by a suitable mathematical algorithm, and from the measurement values obtained by a suitable mathematical algorithm the spatial distribution of substance concentrations inside the object is determined.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung des Objektes an mehreren Punkten durch die Lenkung des Strahls einer einzelnen Strahlungsquelle an die gewünschten Punkte erfolgt . Method according to Claim 1, characterized in that the object is irradiated at several points by directing the beam from a single radiation source to the desired points.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung des Objektes an mehreren Punkten durch die sequentielle Aktivierung mehrerer räumlich fixierter Strahlungsquellen erfolgt.3. The method according to claim 1, characterized in that the irradiation of the object is carried out at several points by the sequential activation of several spatially fixed radiation sources.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung des Objektes an mehreren Punkten durch die simultane Aktivierung mehrerer räumlich fixierter Strahlungsquellen erfolgt .4. The method according to claim 1, characterized in that the irradiation of the object is carried out at several points by the simultaneous activation of several spatially fixed radiation sources.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Verteilung der am Objekt gestreuten Strahlung dadurch bestimmt wird, daß ein einzelner Detektor nacheinander die an verschiedenen Punkten aus der Oberfläche des Objektes austretende Strahlung registriert .5. The method according to claim 1, characterized in that the spatial distribution of the radiation scattered on the object is determined in that a single detector successively registers the radiation emerging from the surface of the object at different points.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Verteilung der am Objekt gestreuten Strahlung dadurch bestimmt wird, daß mehrere fixierte Detektoren die an verschiedenen Punkten aus der Oberfläche des Objektes austretende Strahlung registrieren.6. The method according to claim 1, characterized in that the spatial distribution of the radiation scattered on the object is determined in that a plurality of fixed detectors register the radiation emerging from the surface of the object at different points.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Information durch Bestrahlung mit mindestens einer Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 10 μm und Regi- strierung der gestreuten Strahlung mit wellenlängenselektiven Detektoren gewonnen wird.7. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that the spectral information by irradiation with at least one wavelength in the range from 400 nm to 10 microns and Regi- striation of the scattered radiation is obtained with wavelength-selective detectors.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Information durch sequentielles Bestrahlen mit mehreren Wellenlängen im Bereich von 400 nm bis 10 μm unter Verwendung nicht wellenlängenselektiver Detektoren gewonnen wird.8. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that the spectral information is obtained by sequential irradiation with several wavelengths in the range from 400 nm to 10 microns using non-wavelength-selective detectors.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Information durch Bestrahlung mit einem Kontinuum im Bereich zwischen 400 nm und 10 μm oder mindestens einem Teilbereich davon und Registrierung der gestreuten Strahlung mit wellenlängenselektiven Detektoren gewonnen wird.9. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that the spectral information is obtained by irradiation with a continuum in the range between 400 nm and 10 microns or at least a portion thereof and registration of the scattered radiation with wavelength-selective detectors.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit zeitlich konstanter Intensität erfolgt.10. The method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the irradiation is carried out with a temporally constant intensity.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit sinusförmig modulierter Intensität erfolgt.11. The method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the irradiation is carried out with sinusoidally modulated intensity.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung Intensitätsimpulsen erfolgt.12. The method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the irradiation is carried out intensity pulses.
13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Detektor er- faßte Meßgröße die Intensität der gestreuten Strahlung ist.13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that one of the detector measured quantity is the intensity of the scattered radiation.
14. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Detektor erfaßte Meßgröße die Modulationsamplitude der gestreuten Strahlung ist.14. The method according to claim 11, characterized in that a measured variable detected by the detector is the modulation amplitude of the scattered radiation.
15. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Detektor erfaßte Meßgröße die Phasenverschiebung der gestreuten Strahlung gegenüber der eintretenden Strahlung bei der Modulationsfrequenz ist.15. The method according to claim 11, characterized in that a measured variable detected by the detector is the phase shift of the scattered radiation with respect to the incoming radiation at the modulation frequency.
16. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Detektor erfaßte Meßgröße die Laufzeit des Strahlungsimpulses im Objekt vom Eintritt bis zum Austritt ist.16. The method according to claim 12, characterized in that a measured variable detected by the detector is the transit time of the radiation pulse in the object from the entry to the exit.
17. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Detektor erfaßte Meßgröße die Form des aus dem Objekt austretenden Strahlungsimpulses ist.17. The method according to claim 12, characterized in that a measured variable detected by the detector is the shape of the radiation pulse emerging from the object.
18. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Detektor erfaßte Meßgröße der in einem bestimmten Zeitfenster aus dem Objekt tretende Anteil des Strahlungsimpulses ist.18. The method according to claim 12, characterized in that a measured variable detected by the detector is the portion of the radiation pulse emerging from the object in a specific time window.
19. Vorrichtung für die nichtinvasive bildgebende gleichzeitige Bestimmung von optischen Eigenschaf- ten und Stoffkonzentrationen von biologischem Gewebe durch die Verwendung von Strahlung im VIS/NIR/lR-Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßobjekt durch eine räumlich eng begrenzte Bestrahlung mehrerer Punkte auf der Oberfläche des Objektes abgerastert wird, die räumliche Verteilung der am Meßobjekt gestreuten Strahlung gemessen wird, die spektralen Eigenschaften des Meßobjekts bestimmt werden, aus den erhaltenen Meßwerten durch einen geeigneten mathematischen Algorithmus die räumliche Verteilung von optischen Parametern im Inneren des Objektes bestimmt wird, aus den erhaltenen Meßwerten durch einen geeigneten mathematischen Algorithmus die räumliche Verteilung von Stoffkonzentrationen im Inneren des Objektes bestimmt wird. 19. Device for the non-invasive imaging simultaneous determination of optical properties ten and substance concentrations of biological tissue through the use of radiation in the VIS / NIR / IR range, characterized in that a measurement object is scanned by a spatially limited irradiation of several points on the surface of the object, the spatial distribution of the radiation scattered on the measurement object is measured, the spectral properties of the measurement object are determined, the spatial distribution of optical parameters inside the object is determined from the measured values obtained using a suitable mathematical algorithm, the spatial distribution of substance concentrations inside the object is determined from the obtained measured values using a suitable mathematical algorithm Object is determined.
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Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4281645A (en) | 1977-06-28 | 1981-08-04 | Duke University, Inc. | Method and apparatus for monitoring metabolism in body organs |
| DE3535270A1 (en) * | 1985-10-03 | 1987-04-09 | Fischbach Joern Uwe Prof Dr | Device and method for measuring the circumference and volume of oedematous extremities |
| EP0612500A1 (en) * | 1991-12-17 | 1994-08-31 | GODIK, Eduard Emmanuilovich | Method and device for diagnosis of living organism |
| US5349951A (en) | 1992-03-19 | 1994-09-27 | Hitachi, Ltd. | Optical CT imaging device |
| US5440388A (en) * | 1993-08-02 | 1995-08-08 | Erickson; Jon W. | Chemical analysis and imaging by discrete fourier transform spectroscopy |
| US5694938A (en) | 1995-06-07 | 1997-12-09 | The Regents Of The University Of California | Methodology and apparatus for diffuse photon mimaging |
| US5758653A (en) | 1995-04-10 | 1998-06-02 | Bell Communications Research, Inc. | Simultaneous absorption and diffusion imaging system and method using direct reconstruction of scattered radiation |
| US5770454A (en) | 1994-05-19 | 1998-06-23 | Boehringer Mannheim Gmbh | Method and aparatus for determining an analyte in a biological sample |
| DE19700591A1 (en) * | 1997-01-10 | 1998-07-16 | Blazek Vladimir Prof Dr Ing | Optical tomography of tissue structure and blood perfusion |
-
1998
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1999
- 1999-11-18 WO PCT/DE1999/003679 patent/WO2000028886A1/en active Application Filing
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4281645A (en) | 1977-06-28 | 1981-08-04 | Duke University, Inc. | Method and apparatus for monitoring metabolism in body organs |
| DE3535270A1 (en) * | 1985-10-03 | 1987-04-09 | Fischbach Joern Uwe Prof Dr | Device and method for measuring the circumference and volume of oedematous extremities |
| EP0612500A1 (en) * | 1991-12-17 | 1994-08-31 | GODIK, Eduard Emmanuilovich | Method and device for diagnosis of living organism |
| US5349951A (en) | 1992-03-19 | 1994-09-27 | Hitachi, Ltd. | Optical CT imaging device |
| US5440388A (en) * | 1993-08-02 | 1995-08-08 | Erickson; Jon W. | Chemical analysis and imaging by discrete fourier transform spectroscopy |
| US5770454A (en) | 1994-05-19 | 1998-06-23 | Boehringer Mannheim Gmbh | Method and aparatus for determining an analyte in a biological sample |
| US5758653A (en) | 1995-04-10 | 1998-06-02 | Bell Communications Research, Inc. | Simultaneous absorption and diffusion imaging system and method using direct reconstruction of scattered radiation |
| US5694938A (en) | 1995-06-07 | 1997-12-09 | The Regents Of The University Of California | Methodology and apparatus for diffuse photon mimaging |
| DE19700591A1 (en) * | 1997-01-10 | 1998-07-16 | Blazek Vladimir Prof Dr Ing | Optical tomography of tissue structure and blood perfusion |
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