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Die
Erfindung betrifft einen Fluoreszenz- oder Lumineszenz-Scanner und eine
Einrichtung sowie ein Verfahren zur Erzeugung von 3D-Fluoreszenz-
oder Lumineszenz-Scans.
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Vorrichtungen
zur Fluoreszenz- oder Lumineszenz-Erfassung, nachfolgend auch einfach
als Fluoreszenz-Scanner bezeichnet, können eingesetzt werden, um
verschiedenste molekulare Faktoren zu detektieren. Substanzen mit
unterschiedlichen molekularen Eigenschaften können nämlich unterschiedliche Fluoreszenz-Eigenschaften
aufweisen, die gezielt detektiert werden können. Die Fluoreszenz-Erfassung
ist optisch basiert und damit nicht bzw. nur minimalst invasiv.
Sie erlaubt bei Kenntnis der jeweiligen Fluoreszenz-Eigenschaften
die Ermittlung der molekularen Beschaffenheit eines jeweiligen untersuchten
Stoffes.
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Neben
den Fluoreszenz-Eigenschaften können
in gleicher Weise auch Lumineszenz-Eigenschaften analysiert werden.
Der Einfachheit halber wird im Folgenden ausschließlich der
Begriff Fluoreszenz verwendet, darunter soll aber jeweils sowohl Fluoreszenz
als auch Lumineszenz verstanden werden. Im Übrigen sollen darunter auch
weitere, auf vergleichbaren Anregungsprozessen basierende optische
Emissions-Erscheinungen verstanden werden.
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In
der Medizin geben molekulare Eigenschaften, z.B. als "molekulare Signatur" bezeichnet, Aufschluss über den
gesundheitlichen Zustand eines Lebewesens oder Patienten und können daher
diagnostisch ausgewertet werden. Molekulare Signaturen können insbesondere
zur Erkennung von Krebs herangezogen werden. Auch andere Krankheitsbilder wie
z.B. Rheumatoide Arthritis oder Arteriosklerose der Karotis-Arterie
können
so identifiziert werden.
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Zur
Fluoreszenz-Detektion ist es grundsätzlich erforderlich, die Fluoreszenz
anzuregen, was in einfacher Weise durch optische Anregung erfolgen kann.
Das Anregungs-Licht kann dabei z.B. im Infrarot-Bereich (IR) oder
im nahen Infrarot-Bereich (NIR) liegen. Welcher Frequenz-Bereich
geeignet ist, hängt nicht
zuletzt auch von der zu untersuchenden Substanz ab. Substanzen,
die selbst keine molekularen bzw. chemischen Eigenschaften aufweisen,
die für die
Fluoreszenz-Detektion geeignet wären,
können in
geeigneter Weise molekular "markiert" werden. Z.B. können Marker
verwendet werden, die sich bei entsprechender Präparation nur an ganz spezielle Moleküle binden
oder anlagern. Eine derartige Markierung funktioniert demnach also
nach einem Mechanismus, der bildlich als Schlüssel-Schloss-Mechanismus aufgefasst
werden kann. Marker und nachzuweisendes Molekül passen wie Schlüssel und Schloss
zueinander, während
der Marker an sonstigen Substanzen nicht bindet. Weist der Marker
bekannte Fluoreszenz-Eigenschaften auf, so kann er nach dem Binden
oder Anlagern optisch detektiert werden. Die Detektion des Markers
lässt dann
auf das Vorhandensein der markierten speziellen Substanz schließen. Zur
Detektion wird also lediglich ein Detektor benötigt, der Licht in derjenigen
Wellenlänge
zu detektieren vermag, die die fragliche Substanz oder eben der
verwendete Marker bei Anregung abstrahlt.
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Als
Anwendung solcher Fluoreszenzmethoden bieten sich primär Untersuchungen
oberflächennaher
Gebiete bzw. Untersuchungen am geöffneten Körper (intraoperative Anwendungen)
an. Beispiele für
solche Untersuchungen wären
die Erkennung von fluoreszent markiertem Hautkrebs oder die Erkennung
von Tumorgrenzen bei der Resektion von fluoreszent markierten Tumoren.
Z.B. hat die Firma NOVADAQ ein System entwickelt, um intraoperativ
Koronararterien und die Funktion (d.h. den Durchfluss) von Bypässen sichtbar
zu machen.
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Ein
Forschungsgegenstand der Biotechnologie sind fluoreszierende metabolische
Marker, die sich entweder ausschließlich in bestimmten Regionen
(z.b. Tumoren, Entzündungen
oder anderen bestimmten Krankheitsherden) anreichern, oder zwar überall im
Körper
verteilt sind, aber nur speziell in bestimmten Regionen, z.B. durch
tumorspezifische Enzymaktiviiäten
(und z.B. durch zusätzliche
Bestrahlung durch Licht), aktiviert werden.
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In
der medizinischen Diagnose sind als Marker-Substanzen so genannte
Fluorophore bekannt, z.B. Indocianingrün (ICG), die z.B. an Gefäße binden und
optisch nachweisbar sind, so dass in einem bildgebenden Verfahren
der Kontrast, mit dem Gefäße dargestellt
werden, erhöht
werden kann. Daneben gewinnen so genannte "smart contrast agents" zunehmend an Bedeutung.
Dies sind aktivierbare Fluoreszenz-Marker, die z.B. an Tumor-Gewebe binden und
deren fluoreszierende Eigenschaften durch das Binden an den zu markierenden
Stoff erst aktiviert werden. Derartige Substanzen können aus selbst-gehemmten
(selfquenched) Färbemitteln,
z.B. Cy5.5, bestehen, die an größere Moleküle über spezifische
Peptide gebunden werden. Die Peptide wiederum können durch spezifische Proteasen,
die z.B. in Tumoren produziert werden, erkannt und aufgespalten
werden. Durch das Aufspalten werden die Fluorophore freigesetzt
und sind nicht mehr selbst-gehemmt sondern entwickeln ihre fluoreszierenden
Eigenschaften. Die freigesetzten Fluorophore können z.B. im nahen IR-Wellenlängenbereich
um 740 nm aktiviert werden. Ein Beispiel für einen Marker auf dieser Basis
ist AF 750 (Alexa Fluor 750) mit einem definierten Absorptions-
und Emissions-Spektrum im Wellenlängen-Bereich von 750 nm (Anregung)
bzw. 780 nm (Emission).
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In
der medizinischen Diagnose können
derartige aktivierbare Marker z.B. zur intraoperativen Detektion
von Tumor-Gewebe eingesetzt werden, um das erkrankte Gewebe exakt
identifizieren und dann entfernen zu können. Eine typische Anwendung
ist die chirurgische Behandlung von Eierstock-Krebs. Dabei wird
das erkrankte Gewebe typischerweise chirurgisch entfernt und anschließend chemotherapiert.
Durch die erhöhte
Sensitivität
einer Fluoreszenz-Detektion könnte
das erkrankte Gewebe ein schließlich
verschiedentlicher umliegender Krankheitsherde besser erkannt und
dadurch vollständiger
entfernt werden.
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In
der Brustkrebs-Therapie sind typische operative Behandlungen Lumpektomien
(oder Mastektomien) und Lymphknoten-Sektionen und Lymphknoten-Entnahmen.
Lymphknoten werden typischerweise durch 99mTc Schwefelkoloyde in
Verbindung mit niedermolekularem Methylen-Blau optisch erkannt.
Die radioaktiven mTc Schwefelkoloyde könnten durch Einsatz der Fluoreszenz-Detektion
vermieden werden, mit entsprechend positiven Auswirkungen auf die
Gesundheit der Patientinnen.
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Bei
der Entfernung von Gehirn-Tumoren ist die präzise Eingrenzung des Tumorgewebes,
die durch Einsatz von Fluoreszenz-Detektion erreichbar ist, von offensichtlicher
Wichtigkeit. Die Behandlung von Pankreas-Tumoren könnte von
zusätzlichen Lymphknoten-Entnahmen,
die durch Fluoreszenz-Detektion zu identifizieren wären, im
Hinblick auf eventuellen Darm-Krebs profitieren. Bei der Behandlung
von Hautkrebs könnte
durch Fluoreszenz-Detektion die Erkennung von Haut-Neoplasmen verbessert
werden. Die Behandlung rheumatoider arthritischer Gelenks-Erkrankungen
könnte
das Medikamenten-Monitoring dahingehend verbessert werden, dass
das Ausmaß der
Protease-Überproduktion
quantitativ detektiert werden und die als Gegenmittel vorgesehene
Medikamentierung quantitativ angepasst werden könnte.
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Bei
der Behandlung der beispielhaft genannten Erkrankungen sowie weiterer
Krankheitsbilder wird typischerweise eine Operation durchgeführt, bei der
erkranktes Gewebe chirurgisch entfernt wird. Zur Unterstützung der
Operation kann eine Fluoreszenz-Detektion durchgeführt werden,
die die Erkennung der zu entfernenden erkrankten Gewebe-Teile während laufender
Operation, also gegebenenfalls an der geöffneten Wunde, verbessern soll.
Dazu müssen
die Gewebeteile vor der Operation mit einer geeigneten Substanz
markiert werden, die dann durch Anbindung an die erkrankten Gewebeteile
aktiviert wird. Eine Vorrichtung zur Fluoreszenz-Detektion sollte
daher für den
Operateur gut handhabbar und im sterilen OP-Bereich einsetzbar sein.
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Die
Erkennung einer auf diese Weise fluoreszent markierten Region geschieht über Bestrahlung
der Region mit Licht in der speziellen Anregungswellenlänge des
Fluoreszenzfarbstoffes und Detektion des emittierten Lichtes in
der entsprechenden Emissionswellenlänge des Fluorophors. Ein Fluoreszenz-Scan
wird erstellt, in dem ein Fluoreszenz-Bild auf Basis von Fluoreszenz-Licht
aufgenommen wird und ein optisches Bild auf Basis sichtbaren Lichts.
Anschließend
werden optisches und Fluoreszenz-Bild überlagert, um die Fluoreszenz
im Kontext des optischen Bildes darzustellen. Anhand der überlagerten
Darstellung (Fusion) von optischem und Fluoreszenz-Bild auf einer
Anzeige-Vorrichtung kann der Operateur das Tumor-Gewebe erkennen und
am tatsächlichen
Patientenkörper
lokalisieren. Das fusionierte Bild mit dem fluoreszent markierten Gewebe
wird auf einem kleinen Bildschirm auf dem Fluoreszenz-Scanner dargestellt
oder auf einem externen Rechner mit Bildverarbeitungssoftware.
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Üblicherweise
erfolgt die Anregung der Fluoresezenz der Marker durch Licht und
die Detektions-Vorrichtung muss eine Lichtquelle ausreichender Stärke aufweisen,
um das zu untersuchende Gewebe bis zu einer Tiefe von 0,5 bis 1
cm zu durchdringen. Zusätzlich
ist ein optischer Detektor erforderlich, der zum einen das Fluoreszenz-Licht
zu detektieren vermag, und der zum anderen, falls das Fluoreszenz-Licht
nicht im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt,
auch ein Bild im sichtbaren Wellenlängenbereich aufzunehmen vermag.
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Zur
Aufnahme sowohl eines optischen als auch eines Fluoreszenz -Bildes
kann ein Strahlteiler vorgesehen sein. Der Strahlteiler teilt den
vom zu untersuchenden Objekt oder Körper kommenden Lichtstrahl
in einen Strahl auf, dessen Spektrum im IR oder NIR Bereich der
Fluoreszenz liegt, sowie in einen weiteren Strahl im sichtbaren
Wellenlängenbereich.
Der IR- oder NIR-Strahl wird auf einen eigens dafür vorgesehenen Bildsensor
geleitet, der sichtbare Strahl auf einen seinerseits geeigneten
Bildsensor. Die beiden Bildsensoren nehmen getrennt voneinander
gleichzeitig ein Bild auf. Damit stehen Fluoreszenz- und optisches
Bild zur Verfügung
und können einander überlagert
werden. Nachteilig ist daran, dass zwei Bildsensoren erforderlich
sind, und dass der Aufbau relativ voluminös ist.
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Zur
Aufnahme sowohl eines optischen als auch eines Fluoreszenz -Bildes
kann auch ein Filterwechsler im Strahlengang vor dem Bildsensor
angeordnet sein. Der Filterwechsler wechselt für die Aufnahme von Fluoreszenz-Bildern
sowie für
die Aufnahme von optischen Bildern jeweils einen eigenen Filter
ein. Zumindest für
die Aufnahme von Fluoreszenz-Bildern muss ein Filter eingewechselt
werden, der Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich herausfiltert,
weil sonst das Fluoreszenz-Licht überstrahlt würde. Nachteilig
ist daran, dass der Filterwechsler mechanisch aufwändig ist
und ebenfalls einen voluminösen
Aufbau mit sich bringt. Zudem müssen
optisches und Fluoreszenz-Bild nacheinander aufgenommen werden,
was Aufnahmezeit kostet und Bildartefakten durch Bewegung des Scanners
Vorschub leistet.
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Eine
im Stand der Technik nicht bekannte Möglichkeit zur Aufnahme sowohl
eines optischen als auch eines Fluoreszenz-Bildes besteht darin, einen Bildsensor
einzusetzen, der mir einer Filterschicht versehen ist, die zumindest
zwei verschiedene Flächenabschnitte
mit unterschiedlichen Filtereigenschaften aufweist. Wenigstens ein
Flächenabschnitt
ist dazu ausgebildet, Fluoreszenz-Licht passieren zu lassen und
zumindest sichtbares Licht herauszufiltern, und wenigstens ein weiterer
Flächenabschnitt
dazu, sichtbares Licht passieren zu lassen. Ein derartiger Bildsensor
kann ein optisches und ein Fluoreszenz-Bild gleichzeitig aufzunehmen.
Der Bildsensor kann z.B. als CCD-Kamera und der Bilddetektor als
CCD-Chip ausgeführt,
es sind jedoch auch andere Bildaufnahme-Technologien einsetzbar.
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Die
im Stand der Technik Einrichtungen zur Erzeugung von Fluoreszenz-Scans
sind überwiegend
auf die Erzeugung von 2D-Scans
beschränkt. Diese
sind z.B. zur intraoperativen Anwendung durchaus ausreichend. Für weitere
diagnostische Anwendungen kann es jedoch wünschenswert sein, auch 3D-Scans
zur Verfügung
zu haben. Es ist bekannt, 3D-Informationen mittels Time-Domain-Mess-Verfahren,
spektrometrisch mittels Laserprojektion oder mittels Fluoreszenz-gestützter Tomographie
(Fluorescence Mediated Tomography) hinzuzugewinnen. Die bekannten
Verfahren sind jedoch aufwändig,
weil sie teils auf der Hinzunahme weiterer Messverfahren basieren
und teils sehr rechenintensiv sind.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine unaufwändige Einrichtung sowie ein
unaufwändiges
Verfahren zur Erzeugung von 3D-Fluoreszenz-Scans anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Fluoreszenz-Scanner mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs,
durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des 2. Patentanspruchs
sowie durch ein Verfahren zur Erzeugung von 3D-Fluoreszenz-Scans
mit den Merkmalen des 6. Patentanspruchs.
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Ein
Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den zu untersuchenden
Körper
mit Licht einer Wellenlänge
zu bestrahlen, die im Wellenlängen-Bereich
des Anregungsspektrums des jeweiligen Fluoreszenzmarkers liegt,
und das emittierte Fluoreszenzbild einer geeigneten optischen Filterung
zu unterwerfen und mit einem Bilddetektor aufzunehmen. Sodann wird
ein Muster, z.B. ein Streifenmuster oder ein anderes geometrisches
Muster, auf den zu untersuchenden Körper projiziert und ein Bild
des Musters aufgenommen. Wesentlich daran ist, dass der Muster-Projektionsstrahl
und die Verbindungslinie zwischen zu untersuchendem Körper und
Bilddetektor einen definierten Winkel einschließen. Anhand des definierten,
bekannten Winkels und des auf dem zu untersuchenden Körper sichtbaren,
verzerrten Musters wird dann die 3D-Ortsinformation jedes Oberflächenpunktes
des Körpers
berechnet. Diese Berechnung der 3D- Ortsinformation beruht auf unaufwändigen Messverfahren
und auf wenig rechenintensiven, geometrischen Berechnungsgrundlagen.
Im Ergebnis wird ein optisches sowie ein Fluoreszenz-3D-Bild erhalten, die überlagert
(fusioniert) als 3D-Fluoreszenz-Scan
darstellbar sind.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Aufnahme
des Fluoreszenzbildes und Aufnahme eines Musters sowie die anschließende Berechnung
der 3D-Ortsinformation mehrfach aus verschiedenen Betrachtungswinkeln wiederholt
wird, d.h. unter verschiedenen Winkeln relativ zu dem zu untersuchenden
Körper.
Dadurch werden optische 3D-Fluoreszenz-Scans einer größeren Körperregion bis hin zum gesamten
Körper
erhalten
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
zur schrittweisen Erzeugung mehrerer 3D-Fluoresezenz-Scans aus unterschiedlichen
Betrachtungswinkeln der Fluoreszenz-Scanner schrittweise um mindestens
eine Achse um den zu untersuchenden Körper herum gedreht wird. Dadurch
werden 3D-Fluoreszenz-Scans einer größeren Körperregion erhalten, ohne dass
dazu der zu untersuchende Körper
rotiert werden müsste. Eine
Rotation oder Bewegung des zu untersuchenden Körpers zu vermeiden kann insbesondere
in Operations-Situationen
wünschenswert
sein.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sihet vor, dass
zur schrittweisen Erzeugung mehrerer 3D-Fluoreszenz-Scans aus unterschiedlichen
Betrachtungswinkeln der zu untersuchende Körper schrittweise um mindestens
eine Achse rotiert wird. Dadurch kann eine ohnehin vorhandene Positionier-Einrichtung
zur Rotation und Bewegung des zu untersuchenden Körpers genutzt
und ein zusätzlicher
gerätemäßiger Aufwand,
der zur Drehung des Fluoreszenz-Scanners erforderlich wäre, vermieden
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie
aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von
Figuren. Es zeigen:
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1 Anwendungs-Szenario
eines Fluoreszenz-Scanners,
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2 perspektivische
Darstellung eines Fluoreszenz-Scanners mit geöffnetem Gehäuse,
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3 schematische
Draufsicht eines Bildsensors zur Aufnahme sowohl von optischen als auch
von Fluoreszenz-Bildern,
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4 schematische
Darstellung einer schrittweisen Drehung des Fluoreszenz-Scanners,
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5 schematische
Darstellung einer Einrichtung zur Aufnahme von 3D-Fluoreszenz-Scans,
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6 schematische
Darstellung einer weiteren Einrichtung zur Aufnahme von 3D-Fluoreszenz-Scans,
und
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7 schematische
Darstellung des Muster-Projektors.
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1 ist
ein Anwendungs-Szenario eines Fluoreszenz-Scanners 1 schematisch
dargestellt. Ein zu untersuchender Körper 4 liegt, abgedeckt durch
ein OP-Tuch 7, auf einem Untersuchungs-Tisch 5.
Ein Operateur 3 behandelt eine Körperregion des Körpers 4 durch
eine Öffnung
des OP-Tuchs 7 hindurch. Der Operateur 3 hält in seiner Hand
einen Fluoreszenz-Scanner 1, mit dem er die zu behandelnde
Körperregion
untersuchen kann.
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Im
mittleren Teil der Abbildung ist die zu untersuchende Körperregion 8 des
Körpers 4 in
schematischer Ansicht vergrößert dargestellt.
Der Körper 4 ist
durch das OP-Tuch 7 abgedeckt bis auf eine Öffnung im
OP-Tuch 7 über
der zu untersuchenden Körperregion 8.
Der Operateur 3 richtet den Fluoreszenz-Scanner 1 zentral auf die durch
die Öffnung durch
sichtbare und erreichbare Körperregion 8.
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Durch
den Fluoreszenz-Scanner 1 erfasste Daten werden kabellos,
wie in der Abbildung grafisch angedeutet, an einen PC-Arbeitsplatz 9 übermittelt. Der
PC-Arbeitsplatz 9 stellt die empfangenen Daten, bei denen
es sich um Bilddaten der zu untersuchenden Körperregion 8 handelt
auf einen Bildschirm dar.
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Der
Operateur 3 kann den Fluoreszenz-Scan auf dem Bildschirm
des PC-Arbeitsplatzes 9 ansehen, und hat so das Ergebnis
des Scans unmittelbar vor Augen. Gegebenenfalls kann er seine Operation-Strategie
oder -Planung nach dem Fluoreszenz-Scan ausrichten.
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Um
sich auf dem abgebildeten Bild orientieren zu können, wird die optische Darstellung
des Fluoreszenz-Scans überlagert
mit einer Darstellung desselben Sichtbereichs bzw. der selben Körperregion 8 als
normales Bild im sichtbaren Wellenlängenbereich. Anhand des Bildes
im sichtbaren Wellenlängenbereich
kann der Arzt Details der Körperregion 8 auf
dem Bildschirm wieder erkennen, und anhand des überlagerten Fluoreszenz-Scans kann er das
Ergebnis des Scans den tatsächlich
sichtbaren Stellen der Körperregion 8 zuordnen.
Die Überlagerung
einer im sichtbaren Wellenlängenbereich
aufgenommenen Abbildung ist insbesondere erforderlich, wenn die
Fluoreszenz in einem nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich, z.B. IR liegt.
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In 2 ist
ein Fluoreszenz-Scanner 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt.
Um Einsicht in den Aufbau zu gewähren
ist dabei die obere Abdeckung des Gehäuses weggelassen. Der Fluoreszenz-Scanner 1 weist
einen Handgriff 16 auf, um vom Operateur gehandhabt werden
zu können.
Am Handgriff 16 ist eine Taste 17 angeordnet,
mit der der Arzt manuell einen Fluoreszenz-Scan auslösen kann.
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Im
Frontbereich sind Anregungs-Lichtquellen 11, 11', 11'', 11''' so angeordnet,
dass sie einen Bereich im Abstand von ungefähr 6 bis 10 cm Abstand ausleuchten
können.
Sie sind dazu in einem Winkel von etwa 45° zur Frontplatte angeordnet. Durch
diese Anordnung ergibt sich zum einen ein optimaler Arbeits-Abstand,
der sich daraus ergibt, dass einerseits die Scan-Region nicht berührt werden
sollte, und andererseits ein zu großer Abstand eine zu hohe Anregungs-Licht-Intensität erforderlich
machen würde.
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Die
Anregungs-Lichtquellen 11, 11', 11'', 11''' können auf
Halogen-Leuchtmitteln basieren, vorzugsweise jedoch auf LEDs (light
emitting diode). Da eine einzelne LED eine verhältnismäßig geringe Leuchtintensität aufweist,
werden für
jede Lichtquelle LED-Arrays von größenordnungsmäßig 60 LEDs
verwendet. Jedes der insgesamt vier LED-Arrays weist eine Gesamt-Lichtleistung
von etwa 0,25 bis 1 Watt auf.
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Frontal
auf die ausgeleuchtete Region gerichtet befindet sich eine Linse 12,
mittels derer ein geeignetes Muster, z.B. ein Streifenmuster oder
ein anderes geometrisches Muster, projiziert werden kann. Die Projektion
erfolgt dabei in einer definierten Richtung, d.h. unter einem definierten
Winkel in Bezug auf den Fluoreszenz-Scanner 1. Das zu projizierende
Muster wird durch den Muster-Projektor 13 erzeugt und durchläuft die
Linse 12, bevor es den Fluoreszenz-Scanner 1 in
Richtung des zu untersuchenden Körpers
verlässt.
Licht, das von dem zu untersuchenden Körper kommt, durchläuft die
Linse 12, passiert den Muster-Projektor 13 und
gelangt zu einer CCD-Kamera 15. Die CCD-Kamera 15 ist
in der Lage, Bilder sowohl im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts
als auch im Wellenlängenbereich
der Fluoreszenz aufzunehmen; eine Variante der CCD-Kamera 15 wird
im folgenden näher
beschrieben. Die durch die CCD-Kamera 15 aufgenommenen
Bilddaten werden von einer Datenerfassungseinheit 14 empfangen und
durch diese, vorzugsweise kabellos, nach außen übermittelt.
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Die
erfassten Daten werden in einer Datenverarbeitungseinrichtung weiterverarbeitet.
Das bekannte Projektionsmuster wird aufgrund des Winkels zwischen
Muster-Projektionsstrahl und zu untersuchendem Körper 4 auf den zu
untersuchenden Körper 4 in
verzerrter Geometrie projiziert. Anhand des bekannten Winkels, des
ebenfalls bekannten Musters und der durch Aufnahme eines optischen
Bildes ebenfalls bekannten Verzerrung des Musters kann die Datenverarbeitungseinrichtung
die 3D-Ortsinformation jedes Oberflächenpunktes des Körpers 4 berechnet.
Diese Berechnung der 3D-Ortsinformation beruht auf einfachen geometrischen
Berechnungsgrundlagen. Im Ergebnis wird ein optisches sowie ein Fluoreszenz-3D-Bild
erhalten, die überlagert
(fusioniert) als 3D-Fluoreszenz-Scan darstellbar sind.
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In 3 ist
ein der Bildsensor einer CCD-Kamera 15 in schematischer
Draufsicht dargestellt, wie er in dem vorangehend beschriebenen
Fluoreszenz-Scanner 1 verwendet werden kann. Die dargestellte
Oberfläche
des Bildsensors ist in eine Vielzahl etwa quadratischer Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54'... aufgeteilt,
die eine Filterschicht 51 bilden. Jeweils benachbart angeordnete
Flächenabschnitte Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54'... haben zweierlei verschiedene
Filtereigenschaften.
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Zum
ersten sind die Flächenabschnitte 53, 53', 53''... dazu vorgesehen, Licht im IR-
oder NIR-Wellenlängenbereich
passieren zu lassen. Sie sind daher in der Abbildung mit "IR" gekennzeichnet. Die
Filtercharakteristik der Flächenabschnitte 53, 53', 53''... lässt Licht im Wellenlängenbereich
des sichtbaren Lichts nicht passieren, da ansonsten das IR- oder
NIR-Fluoreszenz-Licht überstrahlt
würde.
Je nach Aufnahme-Spektrum
des darunter liegenden, in 3 nicht
näher dargestellten,
Bilddetektors, können
neben sichtbarem Licht auch andere Wellenlängen, von denen Stör-Einflüsse erwartet
werden, herausgefiltert werden. Die Flächenabschnitte 53, 53', 53''... dienen dazu, Fluoreszenz-Bilder
aufzunehmen.
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Zum
zweiten sind die Flächenabschnitte 54, 54', 54''... dazu vorgesehen, Licht im sichtbaren
Wellenlängenbereich
passieren zu lassen. Entsprechend üblicher Darstellungsweisen
für Farbskalen
kann sichtbares Licht als zusammengesetzt aus roten (R), gelben
(G) und blauen (B) Anteilen aufgefasst werden und die Flächenabschnitte
sind daher in der Abbildung mit "RGB" bezeichnet. Eine
Ausführungsvariante
sieht vor, dass die RGB-Flächenabschnitte 54, 54', 54''... durch Ausnehmungen aus der
Filterschicht 51 gebildet werden; das Vorhandensein keines
Filtermaterials genügt
der Anforderung, das sichtbares Licht passieren können muss.
In einer weiteren Ausführungsvariante
werden sie durch ein Material gebildet, das im wesentlichen keine
Filterung bewirkt. In noch einer weiteren Ausführungsvariante werden sie durch
ein Material gebildet, dessen Filter-Charakteristik so gestaltet
ist, dass sie Licht im IR- oder NIR-Bereich
herausfiltern. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das
passierende sichtbare Licht durch Fluoreszenz-Licht eingefärbt oder
im Spektrum verfälscht
wird. Die Flächenabschnitte 54, 54', 54''... dienen dazu, optische Bilder
aufzunehmen.
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Es
ist ersichtlich, dass mit dem in 3 dargestellten
und vorangehend erläuterten
Bildsensor gleichzeitig ein optisches und ein Fluoreszenz-Bild aufgenommen
werden kann, und zwar jeweils mit halber Auflösung, gemessen an der höchstmöglichen Auflösung der
gesamten Anordnung.
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In
einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform des Fluoreszenz-Scanners 1 ist
anstelle der vorangehend beschriebenen CCD-Kamera 15 mit
bi-funktionaler Filterschicht 51 eine CCD-Kamera ohne eine
derartige Filterschicht 51 vorgesehen. Um mit einer gewöhnlichen
CCD-Kamera sowohl optische als auch Fluoreszenz-Bilder aufnehmen
zu können,
ist ein zusätzlicher
Filter vorgesehen. Der zusätzliche
Filter hat eine Filter-Charakteristik,
durch die Fluoreszenz-Licht passieren kann, während anderes Licht herausgefiltert
wird, um das Fluoreszenz-Licht nicht zu überstrahlen. Um trotzdem auch optische
Bilder aufnehmen zu können,
ist der Filter aus dem Strahlengang herausfahrbar, z.B. durch einen
Klapp- oder Verschiebe-Mechanismus.
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In 4 ist
eine schematische Darstellung einer schrittweisen Drehung des Fluoreszenz-Scanners 1 um
den zu untersuchenden Körper 4 wiedergegeben.
Der Körper 4 ist
dabei auf dem Untersuchungs-Tisch 5 gelagert. Bei dem Untersuchungs-Tisch 5 kann
es sich je nach Arbeitsumgebung um einen Diagnose-Tisch oder einen
OP-Tisch handeln.
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Der
Fluoreszenz-Scanner 1 nimmt aus verschiedenen Betrachtungswinkeln
Fluoreszenz-Scans des Körpers 4 auf.
Die ver schiedenen Betrachtungswinkel ergeben sich durch Rotation
um mindestens eine Achse, in der dargestellten Variante durch Rotation
um eine horizontale Achse senkrecht zur Betrachtungsebene der Abbildung.
In der Darstellung ist die Rotationsbewegung durch Kreisbogenabschnitt-förmige Pfeile
angedeutet. Der Fluoreszenz-Scanner 1 ist in einer zur
Horizontalen leicht geneigten Ausrichtung dargestellt, weitere,
mögliche Ausrichtungen
mit jeweils anderer Neigung sind strichliert dargestellt.
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Die
verschiedenen Betrachtungswinkel können bei Einsatz eines mobilen
Fluoreszenz-Scanners 1, wie er in der vorangehenden 1 und 2 erläutert ist,
manuell eingenommen werden. Der Operateur nimmt zu diesem Zweck
Fluoreszenz-Scans aus ihm geeignet erscheinenden Betrachtungswinkeln
auf, in die er den Fluoreszenz-Scanner 1 von Hand ausrichtet.
Die verschiedenen Betrachtungswinkel können jedoch auch automatisch
eingenommen werden, wir nachfolgend erläutert wird.
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In 5 ist
eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Erzeugung von
3D-Fluoreszenz-Scans wiedergegeben. Die Einrichtung umfasst einen
C-Bogen 20 zur drehbaren Lagerung eines Fluoreszenz-Scanners 1.
Der Fluoreszenz-Scanner 1 ist durch einen Wagen 21 in
dem C-Bogen 20 gelagert. Der Wagen 21 ist dabei
verschiebbar in dem C-Bogen 20 gelagert, was durch Pfeile
angedeutet ist, so dass der Fluoreszenz-Scanner 1 um den
zu untersuchenden Körper 4 gedreht
werden kann. Der Körper 4 ist
auf einem Untersuchungs-Tisch 5 ungefähr im Zentrum des C-Bogens 20 positioniert.
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Der
C-Bogen 20 ist ebenfalls verschiebbar in einer Lagerung 22 gelagert, über die
er von einer Basis-Station 23 getragen wird. Durch die
zusätzliche Verschiebbarkeit
des C-Bogens 20 erhöht
sich der Aktionsradius der Einrichtung im Vergleich zu einer Anordnung
mit starr gelagertem C-Bogen 20.
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Der
C-Bogen 20 sowie der Wagen 21 sind automatisch
verschiebbar. Dazu umfasst die Basis-Station 23 eine Steuerung
samt motorischer Komponenten, die aber nicht in der Abbildung dargestellt
sind. Über
ebenfalls nicht dargestellte Leitungs-Verbindungen innerhalb des C-Bogens 20 wird die
Strom-Versorgung
des Fluoreszenz-Scanners 1 realisiert und die Aufnahme-Steuerung
sowie Datenanbindung können über ebensolche
Leitungsverbindungen realisiert sein.
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In 6 ist
eine schematische Darstellung einer weiteren Einrichtung zur Erzeugung
von 3D-Fluoreszenz-Scans wiedergegeben. Die Einrichtung umfasst
eine Schiene 30 zur Aufhängung mehrerer Fluoreszenz-Scanner 1, 1', 1''. Die Schiene 30 erfüllt eine ähnliche
Funktion wie der vorangehend erläuterte
C-Bogen 20. Allerdings sind die Fluoreszenz-Scanner 1, 1', 1'' über nicht verschiebbare Halterungen 31, 31', 31'' starr in der Schiene 30 gehaltert.
Auf diese Weise können
ebenfalls Fluoreszenz-Scans aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln
aufgenommen werden, bloß sind
die Betrachtungswinkel fest vorgegeben. Dies erleichtert auf der einen
Seite die Bildverarbeitung, in der die einzelnen Fluoreszenz-Scans
zu einem gesamten Scan zusammengefügt werden, da die Betrachtungsgeometrie
von vorneherein bekannt ist. Zudem kann auf eine aufwändige Bewegungs-Mechanik
und -Steuerung verzichtet werden. Auf der anderen Seite muss aber eine
Mehrzahl von Fluoreszenz-Scannern 1, 1', 1'' eingesetzt werden.
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Die
dargestellte Ausführungsvariante
sieht vor, dass die Schiene 30 in einem bodenständigen Sockel 33 gelagert
ist. Dabei wird eine bestimmte räumliche
Orientierung in Bezug auf den auf dem Untersuchungs-Tisch 5 liegenden
Körper 4 erreicht.
Es sind jedoch ohne weiteres Schienen in anderer Form und mit anderer
Lagerung, z.B. an Seitenwänden oder
an der Decke des Untersuchungsraumes, vorstellbar.
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In
einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsvariante ist lediglich
ein Fluoreszenz-Scanner vorgesehen, der fest positioniert ist. Um
eine Reihe von Scans aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln aufnehmen
zu können,
wird anstelle des Scanners der zu untersuchende Körper gedreht.
Dazu wird er auf einer Positionier-Vorrichtung gelagert, z.B. einem
zu Positionierungszwecken verstellbaren und rotierbaren Untersuchungs-Tisch.
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In 7 ist
eine schematische Darstellung des Muster-Projektors 13 wiedergegeben.
In der dargestellten Variante projiziert der Muster-Projektor 13 ein
Streifenmuster 60, stattdessen könnte jedoch ohne weiteres auch
ein anderes Muster, vorzugsweise ein geometrisches Muster, projiziert
werden.
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Der
Muster-Projektor 13 weist Leuchtmittel 61 auf,
die so angeordnet sind, dass sie das fragliche Muster projizieren
können.
In der dargestellten Variante mit Streifenmuster 60 sind
die Leuchtmittel 61 daher streifenförmig angeordnet. Es kann sich
bei den Leuchtmitteln 61 um LED's oder vorzugsweise um Laser-Dioden
handeln, es sind jedoch auch Halogen-Lampen oder andere Technologien
einsetzbar.
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Die
Leuchtmittel 61 sind so angeordnet, dass von der Scan-Region 8 des
zu untersuchenden Körpers
kommendes Licht die hinter dem Muster-Projektor 13 angeordnete
CCD-Kamera 15 ungehindert erreichen kann. Aus diesem Grund
sind die Leuchtmittel 61 nicht im sondern neben dem Strahlengang
von Scan-Region 8 zu
CCD-Kamera 15 angeordnet. Je nach optischgeometrischer
Anordnung können
die Leuchtmittel 61 auch seitlich angeordnet und deren Licht
durch einen oder mehrere Spiegel in die gewünschte Projektions-Richtung
umgelenkt werden. Bei Bedarf können
die Spiegel entweder außerhalb des
Strahlenganges von Scan-Region 8 zu CCD-Kamera 15 angeordnet
oder aber als halbdurchlässige Spiegel
ausgeführt
sein, die zwar das Projektionslicht reflektieren, Licht von Scan-Region 8 zu
CCD-Kamera 15 jedoch möglichst
ungehindert passieren lassen.
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Im
Ergebnis kann eine Reihe von einzelnen 3D-Fluoreszenz-Scans desselben Körpers 4 erhalten werden.
Diese können
je nach Bedarf durch eine Datenverarbeitungseinrichtung nach Art einer
Panorama-Aufnahme zusammengefügt
werden, um eine Darstellung der gesamten untersuchten Körperregion
zu erhalten. Um sie zusammenfügen
zu können, müssen die
einzelnen Scans zumindest teilweise gegenseitig überlappen. Anhand der Überlappungsbereiche
kann die Datenverarbeitungseinrichtung unter Verwendung bekannter
Registrierungsverfahren die jeweiligen Vergrößerungen bzw. Abbildungsmaßstäbe der einzelnen
Scans angleichen, deren Orientierung zueinander ausrichten und die
einzelnen Scans sozusagen nahtlos zu einem Gesamt-Scan aneinander
anfügen.
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Die
Erfindung lässt
sich wie folgt zusammenfassen: Die Erfindung betrifft einen Fluoreszenz-
oder Lumineszenz-Scanner und eine Einrichtung sowie ein Verfahren
zur Erzeugung von 3D-Fluoreszenz- oder
Lumineszenz-Scans. Der Fluoreszenz- oder Lumineszenz-Scanner nimmt
ein Fluoreszenz- oder Lumineszenz-Bild und ein optisches Bild des zu untersuchenden
Körpers
auf. Gemäß der Erfindung
wird zusätzlich
ein Muster, z.B. ein Streifenmuster oder ein anderes geometrisches
Muster, in einem ersten geometrischen Winkel auf den zu untersuchenden Körper projiziert.
Das projizierte Muster wird in einem zweiten, vom ersten unterschiedlichen
geometrischen Winkel aufgenommen. In Abhängigkeit von den geometrischen
Winkeln wird anhand des aufgenommenen Musters eine 3D-Ortsinformation
jedes Oberflächenpunktes
des gescannten Körpers
berechnet. Im Ergebnis wird ein optisches sowie ein Fluoreszenz-
oder Lumineszenz-3D-Bild erhalten. Die gegenseitig überlagerten
(fusionierten) Bilder sind als 3D-Fluoreszenz- oder Lumineszenz-Scan darstellbar.
Zusätzlich
kann, um einen 3D-Fluoresezenz- oder
Lumineszenz-Scan des gesamten Körpers
zu erhalten, eine Reihe einzelner 3D-Fluoreszenz- oder Lumineszenz-Scans
unter jeweils anderem Aufnahmewinkel aufgenommen und aneinandergefügt werden.