DE19853024A1 - Nichtinvasives bildgebendes Verfahren und Vorrichtung zur gleichzeitigen Bestimmung von optischen Eigenschaften und Stoffkonzentrationen in biologischen Geweben - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein nichtinvasives bildgebendes Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung von optischen Eigenschaften und Stoffkonzentrationen in biologischen Geweben durch die Verwendung von Strahlung im VIS/NIR/IR-Bereich. DOLLAR A Das Verfahren kombiniert die Ansätze der "Optischen Tomographie" und der optischen in-vivo Stoffanalyse. Dabei wird die räumliche Verteilung der am Meßobjekt gestreuten Strahlung bei räumlich eng begrenzter Beleuchtung mehrerer Punkte auf der Oberfläche des Objektes gemessen. Gleichzeitig werden die spektralen Eigenschaften des Meßobjekts bestimmt. Das Verfahren liefert dabei sowohl absolute Konzentrationen der zu untersuchenden Stoffe, als auch diagnostisch aussagekräftige Bilder des Körperinneren.

Description

Die Erfindung betrifft ein nichtinvasives bildgebendes Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung von optischen Eigenschaften und Stoffkonzentrationen in biologischen Geweben durch die Verwendung von Strahlung im VIS/NIR/IR-Bereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine dazu geeignete Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 19.

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 [1-6]. Sie 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.

Daneben wurden Verfahren entwickelt und beschrieben [7-9], die mit Hilfe optischer Methoden die nichtinvasive Bestimmung von Stoffkonzentrationen in-vivo ermöglichen, dabei aber keine Ortsauflösung erlauben. 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.

Das hier beschriebene 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- und Reflektionskoeffizienten sowie des Anisotropiefaktors berechnet.

Durch die oben beschriebene Kombination von nichtinvasiven 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.

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.

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.

Die Gewinnung spektraler Information kann durch vier verschiedene Varianten bewerkstelligt werden: 1) Wellenlängendurchstimmung einer Strahlungsquelle, 2) Verwendung mehrerer Strahlungsquellen mit verschiedenen Wellenlängen, 3) spektrale Zerlegung der Strahlung einer schmalbandigen Quelle nach Durchtritt durch das Objekt und 4) spektrale Zerlegung der Strahlung einer breitbandigen Strahlungsquelle nach Durchtritt durch das Objekt.

Für die Bestrahlung des Objektes kommen als breitbandige Quellen zum Beispiel thermische Strahler oder auch Blitzlampen in Frage. Als schmalbandige Quellen sind beispielsweise Laserdioden oder mit geeigneten Wellenlängenselektoren gefilterte breitbandige Strahlungsquellen zu verwenden. Die verschiedenen Arten von Strahlungsquellen können im sogenannten "continuous wave", 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.

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.

Eine mögliche Ausführungsart 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 anderen 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, pCO₂ und pO₂, sowie die Stoffwechselmetaboliten Harnsäure, Creatinin, 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.

Zitate

[1] US5.694.938, Methodology and apparatus for diffuse photon imaging
[2] US5.758.653, Simultaneous absorbtion and diffusion imaging system and method using direct reconstruction of scattered radiation
[3] US5.349.951, Optical CT imaging device
[4] Y. Yao, Y. Wang, Y. Pei, W. Zhu, R. L. Barbour; Frequency-domain optical imaging of absorption and scattering distributions by a Born iterative method; J. Opt. Soc. Am. A. 14 (1997) 325-342
[5] U. Hampel, R. Freyer; Fast inversion scheme for the linearised problem in optical absorption tomography on objects with radially symmetric boundaries; Proc. SPIE 2925 (1996) 31-42
[6] R. Model, R. Hünlich, M. Orlt, M. Walzl; Image reconstruction for random media by diffusion tomography (OT); Proc. SPIE, 2389 (1995) 400-410
[7] US4.289.645, Method and apparatus for monitoring metabolism in body organs
[8] US5.770.454, Method and apparatus for determining an analyte in a biological sample
[9] 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) 925-929

Claims (19)

1. 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.

2. 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.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung des Objektes an mehreren Punkten durch die sequentielle Aktivierung mehrerer räumlich fixierter Strahlungsquellen erfolgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung des Objektes an mehreren Punkten durch die simultane Aktivierung mehrerer räumlich fixierter Strahlungsquellen erfolgt.

5. Verfahren gemäß des Anspruchs 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.

6. Verfahren gemäß des Anspruchs 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.

7. Verfahren gemäß den Ansprüchen 2-6 dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Information durch Bestrahlung mit mindestens einer Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 10 µm und Registrierung der gestreuten Strahlung mit wellenlängenselektiven Detektoren gewonnen wird.

8. Verfahren gemäß den Ansprüchen 2-6 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.

9. Verfahren gemäß den Ansprüchen 2-6 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.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7-9 dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit zeitlich konstanter Intensität erfolgt.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7-9 dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mit sinusförmig modulierter Intensität erfolgt.

12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7-9 dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung Intensitätsimpulsen erfolgt.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10-12 dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Detektor erfaßte Meßgröße die Intensität der gestreuten Strahlung ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Detektor erfaßte Meßgröße die Modulationsamplitude der gestreuten Strahlung ist.

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.

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.

17. Verfahren gemäß Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Detektor erfaßte Meßgröße die Form des aus dem Objekt austretenden Strahlungsimpulses ist.

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.

19. Vorrichtung für die nichtinvasive bildgebende gleichzeitige 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.