DE69725361T2

DE69725361T2 - Bildaufnahmesystem zur Erfassung von krankem Gewebe mit nativer Fluoreszenz in Verdauungs- und Atemwegen

Info

Publication number: DE69725361T2
Application number: DE69725361T
Authority: DE
Inventors: Haishan Vancouver Zeng; Richard W. Vancouver Cline; Calum E. Vancouver MacAulay; Bruno W. Vancouver Jaggi
Original assignee: Xillix Technologies Corp
Current assignee: Novadaq Technologies ULC
Priority date: 1996-02-28
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2017-02-01
Also published as: EP0792618B1; US5647368A; DE69725361D1; EP0792618A1; EP1369077A3; JP3022377B2; JPH09327433A; EP1369077A2

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Krebsnachweissysteme, insbesondere Krebsnachweissysteme, die die native Fluoreszenz-Antwort von normalem, von vorkanzerösem und von kanzerösem Gewebe messen.
Hintergrund der Erfindung
Einer der Haupttodesursachen bei Menschen ist Krebs. Ungeachtet der hohen Sterberaten lassen sich, zahlreiche Krebsarten heilen, wenn sie bei Zeiten nachgewiesen und behandelt werden. Zu diesem Zweck sind beträchtliche Anstrengungen auf die Entwicklung und den Entwurf von Reihenuntersuchungssystemen gerichtet worden, die den Arzt beim Erkennen der Existenz von Krebs im Frühstadion oder von vorkanzerösem Gewebe unterstützen.
Eine der jüngeren Methoden zum Erkennen und Behandeln von Krebs in internen Körperhohlräumen ist die Fluoreszenz-Bildgebung. Dieser Abbildungsmodus liefert andere Informationen als der üblicherweise verwendete Reflexions-Bildgebungsmodus. Bei beiden Bildgebungsarten führt der Arzt in den Körperhohlraum ein Endoskop oder ein optisches Faserbündel ein, welches Beleuchtungslicht von einer Lichtquelle in den Hohlraum leitet. Bei der Reflexionsbildgebung liefert die Lichtquelle typischer Weise weißes Licht, während bei Fluoreszenz eine spezifische Anregungswellenlänge und mehrere Anregungswellenlängen verwendet werden. Das Reflexions- oder Fluoreszenzbild wird aufgenommen durch das Abbildungs-Faserbündel des Endoskops und wird von dem Arzt über ein Okular des Endoskops betrachtet. Alternativ kann an dem Okular eine Kamera angebracht werden, so daß das Bild auf einem Monitor dargestellt werden kann.
Bei herkömmlichen Fluoreszenz-Bildgebungssystemen bereitet der Arzt typischer Weise einen Patient dadurch vor, daß er ihm eine photoempfindliche Substanz verabreicht, die kanzeröses Gewebe bindet. Die photoempfindlichen Substanzen veranlassen das kanzeröse Gewebe, gegenüber dem Umgebungsgewebe zu kontrastieren, wodurch es dem Arzt möglich ist, daß Vorhandensein von Krebs visuell festzustellen. Das Problem beim Einsatz photoempfindlicher Substanzen beim Nachweisen von Krebs besteht darin, daß die meisten Mittel signifikante Nebenwirkungen aufweisen. Die ernsthafteste Nebenwirkung besteht darin, daß die Patienten hypersonnenempfindlich werden, während die Substanzen aktiv sind. Deshalb müssen Patienten, die diese Substanzen aufnehmen, nach der Verabreichung mehrere Tage in abgedunkelten Räumen gehalten werden. Dieses Verfahren des Krebsnachweises eignet sich daher nicht für Reihenuntersuchungen, bei denen der Wunsch entsteht, möglichst viele Patienten in möglichst kurzer Zeit zu testen.
Ein weiteres Krebsnachweisverfahren basierend auf Fluoreszenz-Bildgebung, welches das Erfordernis, photoempfindliche Substanzen zu verabreichen, nicht kennt, basiert auf dem Umstand, daß kanzeröses oder präkanzeröses Gewebe anders anspricht auf zugeführtes Licht, als dies normales Gewebe tut. Wird monochromatisches Licht auf lebendes Gewebe aufgebracht, so wird ein Teil des absorbierten Lichts bei anderen Wellenlängen rück- emittiert, diesen Vorgang nennt man Autofluoreszenz (auch als native Fluoreszenz bezeichnet). Wird blaues oder ultraviolettes Licht auf lebendes Gewebe gegeben, so unterscheidet sich die Intensität oder die Anzahl von Autofluoreszenz-Photonen, die von abnormalem Gewebe freigesetzt werden, im grünen Bereich des Spektrums sichtbaren Lichts relativ von der Intensität oder der Anzahl von Photonen, die durch gesundes Gewebe freigesetzt werden. Im roten Bereich des sichtbaren Spektrums ähneln sich die Anzahlen von durch gesundes und abnormales Gewebe freigesetzten Photonen eher.
Beispiele für bekannte Systeme, die die Differenz bei der Fluoreszenz- und der Autofluoreszenz-Intensität nutzen, um das Vorhandensein von Krebszellen nachzuweisen, beinhalten das US-Patent 4 786 813 (Svanberg et al.); daß US-Patent 4 930 516 ('516) (Alfano et al.); daß US-Patent 5 042 494 ('494) (Alfano), die UK-Patentanmeldung 2 203 831 von Zeng Kun; das US-Patent 5 131 398 ('398) (Alfano et al.) und die PCT-Anmeldung WO 90/10219 (Andersson-Engles).
Die in jedem dieser Patente beschriebenen Systeme fallen im Großen und Ganzen in zwei Kategorien, um zu unterscheiden zwischen kanzerösen und nicht-kanzerösen Zellen. Die erste Kategorie macht Gebrauch von Einzelpunk-Schmalband-Spektroskopiemessungen, um kanzeröses Gewebe nachzuweisen, während die zweite Kategorie breitbandige bildgebende Systeme verwendet. Beispiele für die Systeme der ersten Kategorie sind die Alfano-Patente '516, '494 und '398, welche Einzelpunkt-Messsysteme beschreiben. Diese Systeme verwenden einen Verhältnis-Vergleich der schmalbandigen Intensität von Autofluoreszenzlicht, welches von gesundem Gewebe und von verdächtigem Gewebe erzeugt wird, außerdem machen sie Gebrauch von dem Detektieren einer Änderung der spektralen Peaks (d. h. einer Verschiebung in Richtung blau), um das Vorhandensein kanzeröser Zellen zu signalisieren.
Allerdings beruhen diese schmalbandigen Intensitätsmessungen und die dazugehörigen Unterscheidungsalgorithmen auf Autofluoreszenz-Spektren, die von In-Vitro-Messungen von Tumoren bei Ratten abgeleitet sind, was sich allerdings als nichtanwendbar auf Krebs bei Menschen erwiesen hat. Das System nach Zeng sucht einfach eine Änderung in der Spektral-Hühlkurve des Autofluoreszenzlichts, um malignes Gewebe nachzuweisen. Allerdings hat sich dieses Verfahren als nicht ausreichend zuverlässig beim Identifizieren verdächtigen Gewebes bei unterschiedlichen Patienten erwiesen, bedingt durch Änderungen der Menge von Autofluoreszenzlicht, welches gebildet wird, wenn sich die Sonde von einer Stelle zu einer anderen Stelle oder von einem Patienten zu einem anderen Patienten bewegt.
Beispiele für die zweite Kategorie sind dargestellt in den Patent von Svanberg et al. und Anderson-Engles, die Systeme zum Erzeugen von Bildern erkrankten Gewebes offenbaren. Die Fluoreszenz oder Autofluoreszenzlicht, welches von dem Gewebe erzeugt wird, wird in vier Strahlen aufgeteilt, die mit einem breitbandigen Filter gefiltert werden, bevor sie auf eine verstärket CCD-Kamera gelenkt werden. Die Ausgangsgröße der verstärkten CCD-Kamera dient zum berechnen von Intensitätsverhältnissen der vier breiten Spektralbändern. Die Verhältnisberechnungen werden anschließend auf einen Monitor angezeigt, typischerweise als Pseudofarben, so daß der Arzt visuell das Vorhandensein von kanzerösen Verletzungen erkennen kann. Allerdings ist die Berechnung von Verhältnissen oder das Erfordernis der Bildverarbeitung in medizinischen Diagnosehilfssystemen deshalb unerwünscht, weil dem Arzt Information verloren geht, die nach unserer Erfahrung notwendig ist für eine diagnostische Beurteilung. Diese Information wird nur dadurch erhalten, daß dem Arzt ein Blick auf das Gewebe in direkter Weise ermöglicht wird, nicht aber eine mathematische Darstellung des Gewebes.
Eine neue Entwicklung, die zu einer Vorrichtung zum Nachweisen des Vorhandenseins kanzerogenen Gewebes basierend auf den Differenzen beim Autofluoreszenzlicht führt, ist in unseren anhängigen US-Patentanmeldungen mit den Aktenzeichen 08/428,494 ('494), jetzt US-Patent 5 590 287, und 08/218,662 ('662), jetzt US-Patent 5 590 660 offenbart. Während die in den Anmeldungen '494 und '662 dargestellten Systeme einen signifikanten Fortschritt auf dem Gebiet der Krebsabbildung darstellen, sind dennoch Verbesserungen möglich.
Beispielsweise erfordern diese Systeme komplexe Lasersysteme, um das Fluoreszenz-Anregungslicht zu erzeugen. Obschon die Möglichkeit besteht, einen relativ kleinen Ionenlaser, beispielsweise einen HeCd-Laser zu verwenden, hat dieser den Nachteil, daß die Beleuchtungsleistung nicht groß genug ist für eine Untersuchung großer Hohlraumorgane, beispielsweise des Dickdarms und des Magens. Wenn außerdem Fluoreszenz-Bildgebung zusammen mit Weißlicht-Reflexionsabbildung eingesetzt wird, muß eine zusätzliche Lichtquelle verwendet werden. Darüber hinaus gibt es derzeit keine Krebsabbildungssysteme, die dazu ausgelegt sind, Änderungen von Autofluoreszenz-Eigenschaften bei verschiedenen Patienten, von Organ zu Organ oder von Ort zu Ort zu kompensieren. Schließlich macht die Art und Weise der Darstellung von kanzerösem oder vorkanzerösem Gewebe nicht in optimaler Weise vorteilhaften Gebrauch von der Farbunterscheidungsfähigkeit des menschlichen Auges.
Die vorliegende Erfindung geht die Probleme der zum Stand der Technik zählenden Krebsabbildungssysteme an und soll die Systeme nach den Anmeldungen '494 und '662 dahingehend verbessern, daß der Nachweis von kanzerösem oder vorkanzerösem Gewebe in Atmungswegen und im Magen-Darmtrakt erleichtert wird.
Offenbarung der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist ein bildgebendes System zum Erkennen des Vorhandenseins von kanzerösen oder präkanzerösen krankhaften Veränderungen in Vivo. Eine Lichtquelle erzeugt (beispielsweise blaues) Anregungslicht, welches in eine Beleuchtungsführung eines optischen Faserendoskops geleitet wird, um einen Teil des zu untersuchenden Gewebes zu beleuchten. Das Endoskop führt etwas reflektiertes Anregungslicht ebenso zurück wie Autofluoreszenzlicht, welches von dem untersuchten Gewebe erzeugt wird. Von dem Endoskop über das Abbildungsfaserbündel empfangenes Licht wird von einem Strahlteiler in zwei Strahlen aufgeteilt. Der erste Strahl enthält Autofluoreszenzlicht im grünen Bereich des sichtbaren Spektrums sowie möglicherweise reflektiertes blaues Anregungslicht. Der zweite Strahl enthält Autofluoreszenzlicht im roten Bereich des Spektrums. Licht in den beiden Strahlen wird gefiltert und auf ein paar Bildverstärkungs-CCD-Kameras gegeben. Realzeit-Bilder (d. h. 30 Einzelbilder/s), die von den CCD-Kameras erzeugt werden, werden auf Farbeingänge für Rot, Grün und Blau eines Farbvideomonitors gegeben. Stehbilder lassen sich aus den Realzeit-Bildern rausgreifen und mit Hilfe einer Bildfangschaltung in einem Computer abspeichern.
Die Blau- und Grünfarbeingänge des Videomonitors sind so verschaltet, daß sie die Bilder empfangen, die von der Kamera erzeugt werden, welche grünes Autofluoreszenzlicht erfasst, während der Rot-Farbeingang des Farbvideomonitors so verschaltet ist, daß er das Bild empfängt, welches von der Kamera erzeugt wird, die das rote Autofluoreszenzlicht erfasst. Der Videomonitor erzeugt eine Anzeige, bei der normales Gewebe in etwa der Farbe Zyan erscheint, während möglicherweise kanzeröses Gewebe in rötlicher Farbe erscheint. Es ergibt sich, daß die erfassten Farben auf dem Monitor das Verhältnis der zwei Aufnahmekanäle repräsentieren. Dies ist ein wichtiger Aspekt der Erfindung deshalb, weil das Verhältnis dargestellt wird ohne Berechnungen oder digitale Bildverarbeitung, sondern lediglich durch einfaches Mischen der drei Farbkanäle.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Paar Steuerungen, die es einem Arzt ermöglichen, die Helligkeit und den Farbkontrast des angezeigten Videobildes dadurch einzustellen, daß er die Verstärkung der roten und der grünen verstärkten CCD-Kameras in einem spezifischen Verhältnis justiert, um Änderungen der Autofluoreszenz von einem Patienten zu einem anderen, von einem Organ zu einem anderen und von einer Stelle zu einer anderen Stelle zu kompensieren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in der Verbesserung der Anregungslichtquelle. Zum Erzeugen des blauen Anregungslichts wird eine Quecksilberbogenlampe verwendet, die Licht mit einer starken Atomlinie bei 436 Nanometer erzeugt. Licht von der Bogenlampe wird von einem elliptischen Spiegel gesammelt und von einem dichroitischen Spiegel sowie einem Bandpaßfilter gefiltert, bevor es in die Beleuchtungsführung des Endoskops eingespeist wird. Diese gefilterte Lichtquelle liefert eine starke Beleuchtungsleistung und lässt sich billig herstellen und relativ einfach warten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen Aspekte und zahlreiche damit einhergehende Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher durch ein besseres Verständnis durch Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine grafische Darstellung der Differenz der Autofluoreszenz-Intensität zwischen normalen und kanzerösem Gewebe;
2 eine grafische Darstellung, die die Differenz der Autofluoreszenz-Spektralform zwischen normalem und kanzerösem Gewebe in den Spektralbändern zeigt, die von der vorliegenden Erfindung benutzt werden;
3 ein Blockdiagramm eines Krebserkennungssystems gemäß der Erfindung;
4 ein Blockdiagramm der Bildaufnahme-/Verarbeitungseinheiten, die von dem erfindungsgemäßen Krebserkennungssystem verwendet werden;
5 ein Farbart-Diagramm, welches zeigt, wie die wahrgenommene Farbe für normales und kanzeröses Gewebe von dem erfindungsgemäßen Krebserkennungssystem angezeigt wird;
6 ein Diagramm einer Anregungslichtquelle gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung; und
7 ein illustratives Diagramm eines Bildes, welches von dem erfindungsgemäßen Krebserkennungssystem erzeugt wird.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die vorliegende Erfindung stellt ein System zum Erkennen kanzerösen oder präkanzerösen Gewebes unter Verwendung von Autofluoreszenz-Bildern dar, welches nicht den Einsatz von Tumorverstärkenden Arzneimitteln oder eine intensive Bildverarbeitung erfordert.
1 ist eine graphische Darstellung der Differenzen der Autofluoreszenzlicht-Intensität für normale und für kanzeröse oder präkanzeröse Gewebe bei Menschen. Wie oben angedeutet, wird, wenn blaues Anregungslicht auf Gewebe gestrahlt wird, etwas von dem Licht absorbiert und als Autofluoreszenzlicht remittiert.
Autofluoreszenzlicht hat eine Intensität und eine Spektralform, die kennzeichnend dafür ist, ob das Gewebe normal oder erkrankt ist. Eine Spektralkurve 10 bedeutet das Ansprechverhalten normalen, gesunden Gewebes, während eine Spektralkurve 20 für das Ansprechverhalten von Gewebe steht, welches kanzerös oder präkanzerös ist. Wie man erkennt, gibt es einen deutlichen Unterschied in der Intensität der beiden Kurven innerhalb eines ersten Grünkanals 30, während die Unterschiede zwischen gesundem und abnormalem Gewebe in einem zweiten, Rotkanal 40 gering sind.
Der Betrag der Kurven 10 und 20 nach 1 ändert sich nicht nur mit der Wellenlänge, sondern auch mit der Entfernung zwischen einer Sonde und dem untersuchten Gewebe, außerdem mit der Intensität der Lichtquelle. Praktisch ist es also nicht möglich, festzustellen, ob das Gewebe kanzerös ist, wenn man einfach die Stärke des Autofluoreszenzlichts in dem (ersten) Grünkanal erfaßt. Allerdings bleiben die Verhältnisse der Autofluoreszenzlicht-Intensitäten für zwei verschiedene Wellenlängen ungeachtet von Schwankungen im Abstand der Faseroptiksonden zu dem Gewebe und dem Winkel zwischen Sonde und Gewebe konstant. Dies ist deshalb so, weil die Intensitäten des (ersten) grünen und des (zweiten) roten Kanals sich proportional bei der gleichen Art von Gewebe ändern. D. h.: Die Intensität von rotem Autofluoreszenzlicht für normales Gewebe R_n, dividiert durch die Intensität des grünen Autofluoreszenzlichts für normales Gewebe, G_n bleibt im Wesentlichen konstant auch bei Schwankungen im Abstand und im Winkel der Spitze des Endoskops gegenüber dem betrachteten Gewebe. In ähnlicher Weise bleibt auch das Verhältnis der Intensität des roten Autofluoreszenzlichts R_CIS (CIS steht für cacinoma in situ), dividiert durch die Intensität des grünen Autofluoreszenzlichts G_CIS im Wesentlichen konstant auch bei Schwankungen von Lage und Orientierung des Endoskops.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß bei gesundem Gewebe das Verhältnis des Ansprechverhaltens des roten Kanals zu dem des grünen Kanals etwa 0 : 54 beim Dickdarmgewebe und 0,16 beim Lungengewebe beträgt, während bei einem Karzinom in situ das Verhältnis vom rotem zu grünem Kanal etwa 1,6 für Dickdarmgewebe und 0,6 für Lungengewebe beträgt. Diese Werte sind hier lediglich als Beispiel angeführt, sie sind stark systemabhängig, d. h. sie hängen in starkem Mass von dem spektralen Ansprechverhalten des bildgebenden Systems ab. Durch Berechnen oder durch Darstellen des Verhältnisses des Rot kanal-Autofluoreszenzlichts und des Grünkanal-Autofluoreszenzlichts läßt sich allerdings ermitteln, ob das betrachtete Gewebe gesund oder möglicherweise kanzerös ist, wenn eine Interpretation zusammen mit Kontextinformation des Bildes erfolgt.
2 zeigt den Wellenlängenbereich, der von der vorliegenden Erfindung benutzt wird, um festzustellen, ob Gewebe möglicherweise kanzerös oder präkanzerös ist. Der (zweite) Rotkanal 60 ist auf Wellenlängen von länger als 630 Nanometer beschränkt, während der (erste) Grünkanal 50 Wellenlängen von etwa 490 bis 560 Nanometer umfasst. Um zu veranschaulichen, daß die Spektralkurven sich nicht nur in der Intensität voneinander unterscheiden, sondern auch in der Form, wurden die Bereiche im Rot-Band normiert, so daß in diesem Teil des Spektrums das Verhältnis von normalem zu kanzerösem Gewebe eins beträgt. Diese Normierung führt immer noch zu einer beträchtlichen Differenz im Grün-Band. Deshalb läßt sich durch das Verhältnis oder durch eine Darstellung des Verhältnisses unterscheiden zwischen normalem und kanzerösem Gewebe. Durch gleichzeitiges Anzeigen des in jedem dieser Bänder empfangenen Autofluoreszenzlichts als Farbbild ermöglicht die Erfindung einem Arzt, festzustellen, ob daß betrachtete Gewebe möglicherweise kanzerös oder präkanzerös ist.
Nunmehr auf 3 bezugnehmend, enthält das erfindungsgemäße Endoskop-Autofluoreszenz-Bildgebungssystem eine Anregungslichtquelle 100 und ein Faseroptikendoskop 102, bei dem es sich um ein Gastroskop, ein Duodenoskop, ein Choledochoskop, ein Bronchoskop oder ein Colonoskop handeln kann, abhängig vom Typ des zu untersuchenden Gewebes. Beispielsweise kann das Endoskop ein Olympus BF-20D für die Atmungswege, ein Olympus GIF-XQ30 für die Speiseröhre und den Magen und ein Olympus CF-30L für das Rektum und das Colon sein.
Die Lichtquelle 100 erzeugt blaues Anregungslicht 102, welches über den inkohärenten Beleuchtungsleiter 106 des Faseroptikendoskops geleitet wird. Das Anregungslicht wird von einer Außenlinse 108 fokussiert, die sich an dem distalen Ende des Endoskops befindet. Wenn das Endoskop von einem Arzt in einem Körperhohlraum eingeführt wird, beleuchtet das blaue Anregungslicht einen Teil des Gewebes 100, welches untersucht werden soll. Das Gewebe wird von dem blauen Licht angeregt und emittiert Photonen (Autofluoreszenzlicht) 112 mit einer größeren Wellenlänge im sichtbaren Bereich des Lichtspektrums. Das von dem Gewebe zusammen mit etwas von dem reflektierten blauen Anregungslicht abgegebene Autofluoreszenzlicht wird von einer Linse 114 am distalten Ende des Endoskops gesammelt und durch einen Abbildungsführungsteil 116 des Endoskops über eine Anzahl herkömmlicher Abbildungslinsen (nicht dargestellt) kanalisiert.
Nach dem Verlassen des Endoskops gelangt Autofluoreszenzlicht auf einen als dikroitischer Spiegel ausgebildeten Strahlteiler 120, der eine Eckfrequenz zwischen 565 und 575 Nanometer besitzt. Der Strahlteiler teilt das Autofluoreszenzlicht aus der Abbildungsführung auf in zwei Spektralbänder, nämlich ein erstes, Grünband und ein zweites, Rotband. Das Autofluoreszenzlicht mit Wellenlängen größer als die Eck-Wellenlänge des Strahlteilers 120 wird auf einen reflektierenden Spiegel 122 geleitet, der das Autofluoreszenzlicht in ein Filter 124 lenkt, welches sich vor einer bildverstärkten Rotkanal-CCD-Kamera 126 befindet. Fluoreszenzlicht mit Wellenlängen unterhalb der Eck-Wellenlänge des Strahlteilers 120 läuft durch den Strahlteiler zu einem Filter 128 vor einer bildverstärkten Grünkanal-CCD-Kamera 130.
Durch Separieren des von dem Endoskop gesammelten Autofluoreszenzlichts in zwei Spektralbänder gelangen praktisch sämtliche Photonen mit Wellenlängen im roten Bereich des Spektrums zu der CCD-Kamera 126, während praktisch sämtliche Photonen mit Wellenlängen im grünen Bereich des Spektrums zu der CCD-Kamera 130 gelangen. Wie in 1 gezeigt ist, ist die Intensität des roten Autofluoreszenz-Wellenlängenbands an der Kamera 126 für normales Gewebe und für abnormales Gewebe nahezu gleich. Allerdings ist die Intensität des grünen Autofluoreszenz-Wellenlängenbands an der Kamera 130 für normales Gewebe und für abnormales Gewebe deutlich verschieden.
Wie weiter unten im Einzelnen erläutert wird, werden die von den beiden CCD-Kameras 126 und 130 produzierten Bilder auf einem Farbvideomonitor 130 kombiniert, was ein leichtes Erkennen von irgendwelchem abnormalen Gewebe ermöglicht. Weil ein blaues Anregungslicht hoher Leistung verwendet wird und sämtliche Photonen in den Spektralbändern auf die verstärkten CCD-Kameras 126 und 130 gelangen, sind die von diesen Kameras erzeugten Bilder hell genug, um unterscheiden zu können zwischen normalem und abnormalem Gewebe, auch in größeren Organen wie beispielsweise dem Magen-Darm-Trakt, ohne daß hierzu photoempfindliche Substanzen verabreicht werden müssen, die die Tumorgefahr erhöhen.
4 ist ein detaillierteres Blockdiagramm des Abbildungsteils des erfindungsgemäßen Krebserkennungssystems. Nachdem das Autofluoreszenzlicht 112 entweder von dem dichroitischen Spiegel 120 reflektiert oder durch ihn hindurchgelassen wurde (3), gelangt das Licht auf die Filter 124 und 128. Das Filter 124 ist ein Langpaßfilter, welches Licht mit Wellenlängen von weniger als 630 Nanometer sperrt. Nach dem Durchlauf durch das Langpaßfilter 124 wird das rote Autofluoreszenzlicht auf die Oberfläche eines GEN-II-Bildverstärkers 132 geleitet, beispielsweise vom Typ DEP XX 1700, hergestellt von Delft Instruments. Die Ausgangsgröße des Bildverstärkers 132 wird über ein optischer Faserbündel 134 auf die Oberfläche eines CCD-Bildsensors 136 innerhalb der CCD-Kamera 126 geleitet.
Das grüne Autofluoreszenzlicht läuft durch ein Bandpaßfilter 128, welches jedes blaue Anregungslicht, welches möglicherweise von der Oberfläche des Gewebes 110 reflektiert wurde, beseitigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung beseitigt das Bandpaßfilter 128 Licht mit Wellenlängen von weniger als 490 Nanometer oder mehr als 560 Nanometer. Die Außerband-Dämpfung der Filter 124 und 128 muß ausreichend stark sein, um zu garantieren, daß praktisch das gesamte reflektierte blaue Anregungslicht an einem Erreichen der CCD-Kameras gehindert wird. Nach dem Durchgang durch das Filter 128 gelangt das grüne Autofluoreszenzlicht zu einem GEN-II-Bildverstärker 140, dessen Ausgangsgröße über ein optisches Faserbündel 142 auf die Oberfläche eines CCD-Bildsensors 144 innerhalb der Grün-CCD-Kamera geleitet wird. Ein Genlock 149 innerhalb der Kamera 130 hält die Synchronisation der Rot-CCD-Kamera 126 mit der Grün-CCD-Kamera aufrecht.
Die analogen Ausgangssignale der roten und der grünen bildverstärkten CCD-Kameras 126 und 130 werden auf ein Paar Verstärker 152 und 154 gegeben. Die Ausgangsgröße der Verstärker wird einer Videobild-Verarbeitungskarte 155 zugeleitet, die Bestandteil eines Steuerrechners 200 ist. Der Steuerrechner 200 enthält eine CPU 202 vom Typ Intel 486/100 MHz und einen internen 16-US-Speicher 204. Allerdings können auch andere Hochgeschwindigkeits-Digitalrechner verwendet werden.
Die Video-Bildverarbeitungskarte 155 enthält ein Paar Analog-Digital-Wandler 156, 157, welche die verstärkten Videosignale von der Rot- bzw. Grün-CCD-Kamera empfangen. Die Analog-Digital-Wandler wandeln die Analog-Videosignale in ein entsprechendes digitales Format um. Nach dem Digitalisieren dient ein Paar Tabellenspeicher 158 und 160 dazu, die relative Verstärkung der digitalen Videosignale in einer im Folgenden zu beschreibenden Weise zu modifizieren. Für jeden diskreten Wert des digitalen Videosignals liest die CPU 202 einen entsprechenden Digitalwert mit einer korrekten Relativ-Verstärkung aus den Tabellenspeichern aus. Diese Werte der digitalisierten Videosignale, die aus den Tabellenspeichern 158 und 160 ausgelesen wurden, die Bestandteil eines Schreib-/Lese-/Speichers 162 sind, können von einer zentralen Verarbeitungseinheit zwecks Analyse zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden.
Um die Bildsignale im Echtzeitbetrieb darzustellen, werden die digitalen Videosignale kontinuierlich aus dem Schreib-/Lese-/Speicher 152 ausgelesen und von einem Paar Digital-Analog-Wandler 166 und 164 in ein Analogformat zurückverwandelt. Die beiden Wandler entsprechen dem grünen bzw. dem roten Bildkanal. Die Ausgangssignale der Digital-Analog-Wandler 164 und 166 werden direkt auf die Eingänge für rot, grün und blau des Farbmonitors 150 aus 3 gegeben. Dies bedeutet, daß das Videosignal aus der Grün-CCD-Kamera 130 auf einen Grün-Eingang 150G des Farbmonitors und auf einen Blau-Eingang 150B gegeben wird. Ein Rot-Eingang 150R des Farbmonitors empfängt das Videosignal von der Rot-CCD-Kamera 126.
Der Farbvideomonitor 150 empfängt die Videosignale und erzeugt ein Farbbild, wodurch das gesunde Gewebe annähernd in der Farbe Zyan erscheint und mögliches abnormales oder potentiell kanzeröses Gewebe in rötlicher Farbe erscheint und sich von einem geübten Arzt leicht ausmachen lässt.
Das direkte Koppeln der Videosignale von der Video-Eingang/Ausgangs-Karte der Kameras 126, 130 über die Video-Bildverarbeitungskarte 155 zu dem Farbvideomonitor 150 erfolgt ohne jegliche signifikante digitale Signalverarbeitung außer einer kleinen Änderung der Verstärkung, wie im Folgenden erläutert wird. Dies ermöglicht es einem Arzt, eine echte Darstellung von Daten der verstärkten CCD-Kameras zu betrachten. In anderen Worten: die Struktur (z. B. Kontrast und Textur) des Bildes bleibt erhalten. Deshalb kann der Arzt Feinheiten im Videobild erkennen, die ansonsten in Folge einer digitalen Bildverarbeitung vor dem Anzeigen des Bildes entfernt oder maskiert würden. Die beiden Autofluoreszenz-Bildsignale, die von den CCD-Kameras gebildet werden, sind repräsentativ für das wahre Autofluoreszenzbild des Gewebes in den jeweiligen Wellenlängenbändern, so daß krankhafte Veränderungen im Videoformat in ihrem Zusammenhang bzw. in ihrer Umgebung betrachtet werden können. Dieser Aspekt ist für den Arzt wesentlich bei der Erkennung möglicher krankhafter Veränderungen, die die Ärztin oder der Arzt mittels Biopsie durch den Biopsykanal des Endoskops zur pathologischen Bestätigung erfassen kann.
Das erfindungsgemäße Fluoreszenz-Bildgebungssystem ist insofern einzigartig, als es keine Berechnungen vornimmt, um Abstands- und Winkeleffekte des Endoskops in Bezug auf das untersuchte Gewebe zu kompensieren. Statt dessen werden die Bilder von den Rot- und Grün-Kameras einander überlagert und als unterschiedliche Farben angezeigt. Dies ermöglicht dem Arzt, das Bild durch visuelle Augenscheinnahme zu interpretieren, wobei die im Zuge des Berufslebens erworbene Erfahrung einfließt. Darüber hinaus umgeht das System das Problem eines Algorithmus, der zu einer klinischen Entscheidung darüber führt, welches Gewebe möglicherweise kanzerös ist oder welches Gewebe nicht kanzerös ist, wobei das Gewebe im Echtzeitbetrieb betrachtet werden kann.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß die Autofluoreszenz-Eigenschaften von Gewebeänderungen von Patient zu Patient, von Organ zu Organ und von Stelle zu Stelle verschieden sind. Deshalb schafft die vorliegende Erfindung eine Steuereinrichtung 220, die es dem Arzt ermöglicht, die "Helligkeit" und das "Farbgleichgewicht" des erzeugten Farbvideobildes zu justieren. Die Steuereinrichtung 220 läßt sich durch Hardware- oder Softwaresteuerung der Kameraverstärkung realisieren.
Die Helligkeit des dargestellten Bildes steht in Beziehung zu der Verstärkung sowohl des roten als auch des grünen Kanals, während der Farbabgleich in Beziehung steht zu der relativen Verstärkung des grünen und des roten Kanals. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steht die Beziehung der Rotkanal-Kamera 126 zu der Verstärkung der Grünkanal-Kamera 130 gemäß folgender Gleichung in Beziehung: R(G) = aG2 + bG + c (1)
wobei R die Verstärkung des Rotkanal-Bildverstärkers und G die Verstärkung des Grünkanal-Bildverstärkers ist und a, b und c Konstante sind. Wie man sieht, hängen die speziellen Werte der Konstanten a, b und c ab von dem Typ der verwendeten verstärkten CCD-Kamera, der Intensität der Lichtquelle, den Eigenschaften des Gewebes und der Fähigkeit des menschlichen Auges, Farbe wahrzunehmen. Für das oben beschriebene System jedoch haben die Erfinder herausgefunden, daß die Konstante "a" im Bereich von 0,0 bis 0,1, "b" im Bereich von 0,5 bis 1,5 und "c" im Bereich von 0,0 bis 0,5 angesetzt werden sollten.
Die Konstante "c" sorgt für einen Ersatz der Farbe zwischen den beiden Kanälen, während der lineare Term "b" sicherstellt, daß sich bei Änderung der Gesamthelligkeit die Verstärkung sowohl des grünen als auch des roten Kanals anpaßt. Der quadratische Term "a" bildet eine Verknüpfung zweiter Ordnung, die garantieren soll, daß die wahrgenommene Farbe auf dem Monitor ungeachtet von Schwankungen der Gesamthelligkeit der Anzeige die gleiche bleibt. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung jedoch ist der Term "a" auf null gesetzt.
Um die Helligkeit des auf auf dem Monitor dargestellten Bildes zu justieren, stellt der Arzt die Stellung des Knopfs 222 ein, was die Verstärkung des Grünkanals einstellt. Ein Bewegen dieses Knopfs 222 erzeugt Signale auf einer Leitung 224, die von der CPU 202 gelesen werden, welche dann die in den Nachschlagetabellen oder Tabellenspeichern 158 und 160 gespeicherten Zahlen gemäß der Gleichung 1 justiert, ohne die Werte der Konstanten a, b und c zu ändern. Alternativ kann die CPU die Verstärkung der roten und grünen verstärkten CCD-Kamera dadurch justieren, daß sie Verstärkungssignale zu einem Paar von Verstärkungssteuerplatinen 146, 148 liefert, welche die Hochspannung der Bildverstärker 132, 140 steuern. Wie man sieht, erhöht sich oder verringert sich die Verstärkung des roten Kanalas proportional, wenn sich die Verstärkung des grünen Kanals erhöht oder vermindert.
Um den Farbabgleich des Bildes einzustellen, justiert der Arzt die Lage des Kontrastknopfs 226. Ein Bewegen des Knopfs 226 ruft Signale auf einer Leitung 228 hervor, die von der CPU 202 gelesen werden. Anschließend justiert die CPU den Multiplikator b, der die Verstärkung des roten Kanals zu derjenigen des grünen Kanals in Beziehung setzt. Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird die Konstante "b" linear in den oben angegebenen Bereich variiert, während der Kontraststeuerknopf 226 zwischen seiner kleinsten und seiner größten Ausschlagstellung bewegt wird. Die CPU berechnet dann eine Verstärkung des roten Kanals durch Neuberechnung der in der Nachschlagetabelle 158 gespeicherten Werte, und sie justiert die Verstärkung der Rotkanal-Bildverstärkungs-Kamera 132, indem sie ein neues Verstärkungssignal an die Verstärkungssteuerplatine 146 liefert.
In der Praxis justiert der Arzt den Helligkeitssteuerknopf 222 solange, bis ein Bild ausreichender Intensität von dem Gewebe auf dem Videomonitor 150 erzeugt wird. Wenn der Arzt glaubt, daß er eine maligne Stelle sieht, wird die Stellung des Farbabgleichknopfs 226 solange verändert, bis das gesamte Videobild rot erscheint. Der Farbabgleichknopf kann nachjustiert werden, bis kein Rot im Hintergrund des Videobilds erscheint. Erscheint ein interessierender Bereich immer noch in roter Farbe, kann der Arzt daraus mit größerer Gewissheit schließen, daß der rote Bereich des Videobilds eine kanzeröse oder präkanzeröse Veränderung ist. Der Farbabgleich-Steuerknopf 226 kann derart eingestellt werden, daß die angezeigte Farbe das ist, was der Arzt zu sehen wünscht, um dadurch dem Arzt eine gewisse Flexibilität bei der Einstellung der Anzeige einzuräumen, wodurch es dem Arzt individuell erleichtert wird, die Anzeige zu interpretieren.
Wie oben angesprochen, zeigt die Erfindung Gewebe auf dem Farbmonitor als eine Farbe an, die nicht abhängt von der Lage oder der Orientierung des Endoskops in Bezug auf das untersuchte Gewebe. Der Grund dafür, warum dies für die Erfindung gilt, wird unten ausgeführt.
Im Allgemeinen läßt sich jeder RGB Farbmonitor gemäß folgender Gleichung als Modell darstellen:
Die Werte R, G und B sind Beträge der Videosignale, die an die Farbeingänge des Monitors angelegt werden, und die 3 × 3-Matrix enthält eine Reihe fixer Koeffizienten, die vorab von dem an dem Monitor verwendeten Leuchtstoff bestimmt werden. Die Werte X, Y und Z werden als Tristimulus- oder Spektralwerte bezeichnet.
Jede Farbe, die sich auf dem Monitor darstellen läßt, kann man repräsentieren als ein Paar von Farbkoordinaten x, y auf einem Farbartdiagramm 250 wie es in 5 dargestellt ist. Es handelt sich dabei um ein weit verbreitetes herkömmliches Diagramm, welches zur Darstellung von Farben dient, die sich auf einem Videomonitor darstellen lassen. Die Koordinaten x und y stehen zu den Tristimuluswerten durch folgende Gleichungen in Beziehung:
Das Television Engineering Handbook von K. Blair Benson (McGraw Hill, 1992) ist eine typische Druckschrift, in der diese Gleichungen und diese Definition des Farbartdiagramms zu finden sind.
Da für die vorliegende Erfindung das Grünsignal G in den Blaukanal eingespeist wird, gilt G = B, und man kann die Gleichungen 2 und 3 erweitern, wodurch man erhält:
In ähnlicher Weise erhält man durch Erweitern der Gleichungen 2 und 4:
Bei dem erfindungsgemäßen Krebserkennungssystem wurde festgestellt, daß das Verhältnis von roter zu grüner Autofluoreszenz-Intensität bei einem gege benen Gewebe ungeachtet der Intensität des Anregungslichts, der Orientierung der Sonde oder des Abstands zwischen der Sonde und dem untersuchten Gewebe unverändert bleibt. Wenn R/G eine Konstante ist, d. h. R/G = k, bleiben x in Gleichung 5 und y in Gleichung 6 konstant. Folglich ist die auf dem Monitor 150 dargestellte Farbe unabhängig davon konstant, wie die Sonde innerhalb des Patienten orientiert ist. Die einzige Gelegenheit, bei der sich das Verhältnis zwischen dem roten und dem grünen Autofluoreszenzlicht ändert, und folglich die einzige Gelegenheit, zu der die Farbe auf dem Videomonitor sich ändert, ist dann, wenn daß untersuchte Gewebe möglicherweise kanzerös ist (weil in diesem Fall sich das Verhältnis R/G aufgrund der anderen Spektralantwort ändert). Daher braucht ein Arzt lediglich nach Veränderungen in der Farbe auf der Anzeige zu schauen, um mögliche kanzeröse Veränderungen zu erkennen.
Es wurde festgestellt, daß für das oben beschriebene Krebserkennungssystem das Verhältnis von rotem zu grünem Autofluoreszenzlicht für gesundes Dickdarmgewebe etwa 0,54 beträgt. Wenn die Farbkoordinaten x und y der Farbartgrafik für die Gleichungen 3 und 4 berechnet und aufgezeichnet werden, ergibt dies unter der Voraussetzung eines konstanten R/G Verhältnisses von 0,54 gemäß 5 zu einem Punkt 252 mit den Koordinaten x₁, y₁ mit grünlichem Farbton. In ähnlicher Weise wurde festgestellt, daß das Verhältnis von rotem zu grünem Autofluoreszenzlicht bei einem potentiell kanzerösem Dickdarmgewebe etwa 1,6 beträgt, was bei Aufzeichnung zu einem Punkt 254 mit den Koordinaten x₂, y₂ führt, welcher einen rotbraunen Farbton besitzt.
Bei jedem Punkt der Farbartgrafik liegt ein Bereich 256, 258, 264 und 266, bei dem das menschliche Auge Änderungen der Farbe nicht wahrnehmen kann. Es wurde außerdem festgestellt, daß diese Bereiche die Neigung haben, ihre Größe zu verkleinern, wenn der Wert von x, y, d. h. die in der blauen bis roten Zone des Farbartdiagramms gezeigten Farben abnehmen. Durch Einspeisen des grünen Autofluoreszenzsignals in sowohl den blauen als auch den grünen Ein gang des Farbmonitors bewegt sich die Lage des Punkts 252 zu einer Stelle 260 mit den Koordinaten x₃, y₃ in der blauen Zone des Farbartgraphen. In ähnlicher Weise bewegt sich der Punkt 254 zu einer Stelle 262 mit den Koordinaten x₄, y₄ nahe der roten Zone in dem Graphen. Weil die Farben in einem Bereich dargestellt werden, in welchem das menschliche Auge empfindlicher ist für geringfügige Farbänderungen, kann ein Arzt leichter schwache Änderungen der Farbe erkennen, Er kann folglich leichter potentiell kanzeröses Gewebe erkennen.
Das Anzeigen des R/G-Verhältnisses als eine Farbe ist ein wichtiger Aspekt der Erfindung. Im Stand der Technik ist es schwierig, daß Verhältnis in Echtzeit-Videoraten von 30 Einzelbildern pro Sekunde zu berechnen und anzuzeigen. Darüber hinaus liefert die Anzeige eines berechneten Verhältnisses keine Kontext-Information. Kontext-Information ist aber nach unserer Erfahrung wesentlich, damit ein Arzt feststellen kann, ob eine verdächtige Gewebeveränderung eine Biopsie erfordert, oder ob nicht ein Artefakt betrachtet wird, (z. B. Blut). Das erfindungsgemäße Farbanzeigesystem ist deshalb schnell, weil keine Berechnungen durchgeführt werden und das resultierende Bild die Gewebe-Kontext-Information enthält.
6 ist eine schematische Darstellung der Anregungslichtquelle 100 aus 1. Die Lichtquelle 100 erzeugt intensives blaues Licht bei einer Quecksilber-Atomlinie bei 436 Nanometer, die dazu dient, große innere Körperhohlräume zu beleuchten. Die Lichtquelle beinhaltet eine 100-Watt-Quecksilberbogenlampe 300, die Licht mit einem signifikanten blauen Spektralanteil erzeugt. Die Erfinder haben herausgefunden, das, um daß von Lampe 300 erzeugte blaue Licht in die Beleuchtungsleitung 106 des Endoskops einzukoppeln, die Bogengröße der Lampe kleiner sein muß als der Durchmesser der Beleuchtungsleitung des Endoskops. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die verwendete Bogenlampe ein Ushio-Modell mit der Nummer USH-102D, welches Bogenabmessungen von etwas 0,25 mm besitzt.
Die Bogenlampe 300 ist von einem Sammelspiegel 203 umgeben, der bei dieser Ausführungsform eine elliptische Form hat. Die Bogenlampe 300 ist in einem Brennpunkt des Spiegels 302 derart positioniert, daß Licht von den Seiten und der Rückseite der Lampe 300 von dem Spiegel gesammelt und in Richtung eines dichroitischen Spiegels 303 gelenkt wird. Auf diese Weise werden bis zu 80% der Strahlungsenergie der Lampe gesammelt. Der dichroitische Spiegel 303 ist vorzugsweise unterhalb der Bogenlampe 300 an einer Stelle angeordnet, die dichter bei dem zweiten Brennpunkt des elliptischen Spiegels liegt. Licht mit Wellenlängen zwischen 350 und 400 Nanometer wird mit 45° an der Fläche des dichroitischen Spiegels 303 reflektiert und gelangt durch einen Langpaßfilter 306 für 399 Nanometer bei geringer Fluoreszenz. Zusätzlich zu dem reflektierten Licht in dem gewünschten Spektralband dient der dichroitische Spiegel 303 auch zum Durchlassen von längeren Wellenlängen des Lichts zu einer Strahlblende 305, wodurch man die Infrarotstrahlung ausblenden ausblenden kann, demzufolge Komponenten der Lichtquelle keine thermische Beschädigung erleiden. Ein Verschluss 304 befindet sich zwischen dem dichroitischen Spiegel 303 und dem Lanpaßfilter 306, er dient zum Steuern des Einkoppelns des Anregungslichts in das Endoskop.
Das Langpaßfilter 306 dämpft die starken Spektrallinien, die von der Quecksilberbogenlampe im ultravioletten Bereich erzeugt werden, so daß eine Beschichtung auf dem Interferenz-Bandpaßfilter 310, wie unten beschrieben wird, vor Beschädigung geschützt ist. Nach dem Durchgang durch das Langpaßfilter 306 wird das Licht zu einer plan-konvexen Linse 308 mit einer Brennweite von 100 mm geleitet, welche ein optisch homogenes, im wesentlichen paralleles Lichtstrahlbündel erzeugt, wie es für die Außerband-Sperrfilterung durch ein Farbfilter 310 erforderlich ist.
Das Farbfilter, welches vorzugsweise ein Interferenz-Bandpaßfilter auweißt, ist rechtwinklig zu dem von der Linse 308 erzeugten Lichtstrahlbündel positioniert, um Licht mit Wellenlängen von weniger als 400 Nanometer und von mehr als 450 Nanometer zu dämpfen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung reflektiert der dichroitische Spiegel 303 etwa 10% des Lichts außerhalb des Bandes von 350 bis 450 Nanometer. Da ein sehr reines Anregungslicht für die Gewebe-Fluoreszenzbildgebung benötigt wird, wird das Interferenz-Bandpaßfilter 310 benutzt, um die Lichtmenge außerhalb des interessierenden Wellenlängenbandes (420 Nanometer bis 450 Nanometer) weiter zu reduzieren. Das Bandpaßfilter 310 besitzt eine Außerband-Durchlässigkeit von weniger als 5 × 10^–5, so daß Licht mit Wellenlängen von weniger als 420 und mehr als 450 Nanometer schwächer ist als das von dem Gewebe abgegebene Autofluoreszenzlicht.
Nach dem Durchgang durch das Interferenz-Bandpaßfilter 310 wird das restliche Licht auf eine Linse 312 mit einer Brennweite von 65 mm gegeben, die das Licht auf ein Ende der Beleuchtungsleitung 106 fokussiert (3).
Die in 6 dargestellte Lichtquelle 100 liefert etwa 500 Milliwatt blauen Lichts in die Beleuchtungsleitung des Endoskops. Dieses Licht reicht aus zum Beleuchten großer interner Körperhohlräume, beispielsweise des Magens oder des Dickdarms. Die Lichtquelle liefert etwa 50 bis 80 Milliwatt Anregungslicht am Ende des Endoskops, im Gegensatz zu den 15 Milliwatt, die typischerweise von einer Laserlichtquelle geliefert werden. Darüber hinaus läßt sich die Lichtquelle 100 leichter herstellen und warten als Laser.
7 ist eine bildliche Darstellung eines von dem Krebserkennungssystem gemäß der Erfindung erzeugten Bildes. Wie oben angegeben, erzeugt der Videomonitor 150 eine Farbanzeige, in der gesundes Gewebe in der Farbe Zyan (weiß-blau) erscheint und potentiell kanzeröses oder präkanzeröses Gewebe in rötlichem Braun erscheint. Die dabei erzeugte Videodarstellung ermöglicht es Ärzten, in einfacher Weise das Vorhandensein kanzeröser oder präkanzeröser krankhafter Veränderungen zu erkennen, ohne das photoempfindliche Medikamente eingesetzt werden müssen. Darüber hinaus behält die Farbanzeige die Kontext-Information über das Gewebe und ermöglicht damit dem Arzt, Feinheiten in dem Bild zu interpretieren, die normalerweise bei digitalen Kamerasystemen, die signifikante digitale Signalverarbeitung beinhalten, verloren gehen. Das erfindungsgemäße Krebserkennungssystem eignet sich ideal für Krebs-Reinuntersuchungen, bei denen der Wunsch besteht, möglichst viel Patienten auf das Vorhandensein normalen Gewebes hin zu untersuchen, ohne dabei photoempfindliche Medikamente verabreichen zu müssen.
Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, ist ersichtlich, daß dabei verschiedene Änderungen möglich sind, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Der Schutzumfang der Erfindung soll also ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche festgelegt werden.

Claims

Vorrichtung zum Abbilden von Gewebe unter Einsatz von Autofluoreszenz, umfassend: eine Lichtquelle (100) zum Erzeugen von Anregungslicht (104), welches das Gewebe dazu bringt, charakteristisches Autofluoreszenzlicht (112) zu erzeugen; eine Einrichtung (106, 108) zum Beleuchten von Gewebe (110) mit dem Anregungslicht (104), um dadurch das Gewebe dazu anzuregen, das charakteristische Autofluoreszenzlicht (112) zu emittieren; eine Aufnahmeeinrichtung (114, 116) zum Sammeln von reflektiertem Anregungslicht und von dem charakteristischen, emittierten Autofluoreszenzlicht (112), das von dem Gewebe (110) erzeugt wird; einen Strahlteiler (120), der so angeordnet ist, daß er das reflektierte Anregungslicht und das emittierte Autofluoreszenzlicht (112), das von der Aufnahmeeinrichtung (114, 116) gesammelt wurde, empfängt, wobei der Strahlteiler so arbeitet, daß er die Spektralkomponenten des Autofluoreszenzlichts auftrennt in mindestens ein erstes spektrales Band (30, 50), welches das reflektierte Anregungslicht und emittiertes Autofluoreszenzlicht mit Wellenlängen enthält, bei denen eine Autofluoreszenz-Intensität (G_CIS) für krankhaftes Gewebe wesentlich verschieden ist von einer Autofluoreszenz-Intensität (G_n) für normales Gewebe, und ein zweites spektrales Band (40, 60), das sich von dem ersten spektralen Band (30, 50) unterscheidet und das emittierte Autofluoreszenzlicht mit Wellenlängen enthält, bei denen eine Autofluoreszenz-Intensität (R_CIS) für krankhaftes Gewebe im wesentlichen derjenigen (R_n) für normales Gewebe ähnelt, ein erstes optisches Filter (128), positioniert zur Aufnahme des Lichts innerhalb des ersten spektralen Bands (30, 50), wobei das erste Filter (128) so arbeitet, daß es aus dem Licht innerhalb des ersten spektralen Bands das reflektierte Anregungslicht entfernt; ein zweites optisches Filter (124), positioniert zum Aufnehmen des Lichts innerhalb des zweiten spektralen Bands (40, 60); eine erste Kamera (130) zum Aufnehmen des Autofluoreszenzlichts innerhalb des ersten spektralen Bands (30, 50) und zum Erzeugen eines ersten Autofluoreszenzbildsignals des Gewebes; eine zweite Kamera (126) zum Aufnehmen des Autofluoreszenzlichts innerhalb des zweiten spektralen Bands (40, 60) und zum Erzeugen eines zweiten Autofluoreszenzbildsignals des Gewebes; einen Farbmonitor (150) mit mindestens einem ersten (150G) und einem zweiten (150R) Farbeingang, von denen der erste Farbeingang (150) so verschaltet ist, daß er das erste Autofluoreszenzbildsignal empfängt, und der zweite Farbeingang (150R) so verschaltet ist, daß er das zweite Autofluoreszenzbildsignal empfängt, um ein kombiniertes Anzeigebild zu erzeugen, in welchem das krankhafte und normale Gewebe auf dem Farbmonitor (150) angezeigt sind; und gekennzeichnet durch die Bereitstellung einer Steuerung (202, 222) zum Einstellen der Verstärkung des einen Signals von dem ersten und dem zweiten Autofluoreszenzbildsignal, die von den Kameras (130, 126) erzeugt werden, als eine Funktion der Verstärkung des anderen Signals von dem ersten und dem zweiten Autofluoreszenzbildsignal.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Lichtquelle (100) aufweist: a) eine Anregungslicht erzeugende Lampe (300); b) einen Sammelspiegel (302), der um die Lampe (300) herum angeordnet ist, um das von der Lampe (300) erzeugte Anregungslicht zu sammeln und das Anregungslicht nach außerhalb des Sammelspiegels (302) zu lenken, c) einen dichroitischen Lichtquellen-Spiegel (303), positioniert zum Aufnehmen des von dem Sammelspiegel (302) gesammelten Anregungslichts und zum Filtern des Anregungslichts; d) eine erste Linse (308), positioniert zum Aufnehmen des gefilterten Anregungslichts, welches von dem ersten dichroitischen Spiegel (302) reflektiert wird, um ein im wesentlichen paralleles Strahlbündel aus Anregungslicht zu erzeugen; e) ein Lichtquellen-Farbfilter (310), positioniert zum Aufnehmen des parallelen Anregungslicht-Strahlbündels, wobei dieses Farbfilter (310) so arbeitet, daß es aus dem parallelen Anregungslicht-Strahlbündel solche Wellenlängen herausfiltert, die nicht bei der Anregungswellenlänge liegen; und f) eine zweite Linse (312), positioniert zum Aufnehmen des gefilterten Anregungslicht-Strahlbündels, das das Farbfilter (310) durchlaufen hat, wobei die zweite Linse (312) das Anregungslicht in ein Endoskop (102) fokussiert, um das untersuchte Gewebe (110) anzuregen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Lichtquelle (100) eine Quecksilberdampflampe (300) enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Sammelspiegel (302) ein elliptischer Spiegel ist, derart positioniert, daß die Quecksilberdampflampe (300) sich im Brennpunkt des elliptischen Spiegels (302) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der die Anregungswellenlänge 436 Nanometer beträgt und der dichroitische Lichtwellenspiegel (303) Anregungslicht mit Wellenlängen zwischen 350 und 450 Nanometer reflektiert.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der das Lichtquellen-Farbfilter (310) ein Interferenz-Bandpaßfilter ist, welches Anregungslicht mit Wellenlängen zwischen 420 und 450 Nanometer durchläßt.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, weiterhin umfassend ein Bandpaßfilter (128) zwischen dem Strahlteiler (120) und der ersten. Kamera (130), ausgebildet zum Durchlassen von Autofluoreszenzlicht mit Wellenlängen zwischen 490 und 560 Nanometer.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, weiterhin umfassend ein Rot-Langpaßfilter (124) zwischen dem Strahlteiler (120) und der zweiten Kamera (126), wobei das Langpaßfilter (124) eine Grenzwellenlänge von 630 Nanometer besitzt.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der der Farbmonitor (150) ein RGB-Monitor mit einem Rot-, einem Grün- und einem Blau-Farbvideoeingang (150R, 150G, 150B) ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die erste (130) und die zweite (126) Kamera bildverstärkte CCD-Kameras sind.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, weiterhin umfassend eine Steuerung (202, 226) zum Einstellen der Funktion, gemäß der die Verstärkung des ersten oder des zweiten Autofluoreszenzbildsignals von der Verstärkung des anderen Signals von dem ersten und dem zweiten Autofluoreszenzbildsignals abhängt.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, bei der die Lichtquelle (100) eine Quelle von im wesentlichen monochromatischem Licht ist.
System zum Nachweisen von krebsartigem oder präkanzerösem Gewebe, umfasend eine Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, und enthaltend: eine im wesentlichen monochromatische Lichtquelle (100) zum Erzeugen von Anregungslicht (104), welches untersuchtes Gewebe (110) veranlaßt, Autofluoreszenzlicht zu erzeugen; ein Endoskop (102), derart positioniert, daß es das Anregungslicht aufnimmt und das Anregungslicht (104) in einen inneren Körperhohlraum eines Patienten und auf das untersuchte Gewebe (110) lenkt; eine Einrichtung (114, 116) zum Aufnehmen des von dem untersuchten Gewebe (110) erzeugten Autofluoreszenzlichts (112); wobei der Strahlteiler (120) dazu ausgebildet ist, das aufgenommene Autofluoreszenzlicht aufzuteilen in ein erstes Strahlbündel mit Wellenlängen, bei denen eine Intensität (G_CIS) des von krankhaftem Gewebe kommenden Autofluoreszenzlichts wesentlich verschieden ist von derjenigen (G_n) normalen Gewebes, und ein zweites Strahlbündel mit Wellenlängen, bei denen eine Intensität (R_CIS) des von krankhaftem Gewebe kommenden Autofluoreszenzlichts im wesentlichen die gleiche ist wie diejenige (R_n) von normalen Gewebe; eine erste (130) und eine zweite (126) bildverstärkte oder nicht-verstärkte CCD-Kamera zum Aufnehmen des ersten und des zweiten Autofluoreszenzlicht-Strahlbündels, wobei die erste und zweite bildverstärkte oder nichtverstärkte CCD-Kamera (130, 126) ein erstes bzw. ein zweites Autofluoreszenzbildsignal erzeugen; wobei der Farbmonitor (150) einen Rot-, einen Blau- und einen Grün-Farbeingang besitzt, von denen der Rot-Farbeingang (150R) verschaltet ist zum Aufnehmen eines Signals von dem ersten und dem zweiten Autofluoreszenzbildsignal, und der Blau- und der Grün-Farbeingang (150B, 150G) so verschaltet sind, daß sie das andere Signal von dem ersten und dem zweiten Autofluoreszenzbildsignal empfangen, um eine Anzeige mit einer Farbe zu erzeugen, die repräsentativ ist für ein Verhältnis einer Stärke des ersten Autofluoreszenzsignals und des zweiten Autofluoreszenzsignals, wobei die Anzeige angibt, ob das Gewebe normal oder krankhaft ist.