DE4128744C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gewebeoptische Meßanordnung für die Untersuchung eines vorzugsweise lebenden Objektes mit sichtbarem, NIR- oder IR-Licht. Dabei liegt die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes zwischen 380 und 780 nm, die von NIR- Licht (nahinfrarotes Licht) zwischen 780 nm und 1,5 µm und die von IR-Licht (infrarotes Licht) zwischen 1,5 µm und 1 mm, wobei im Falle der vorliegenden Erfindung bei Verwendung von IR-Licht insbesondere der Bereich von 1,5 µm bis 15 µm von Bedeutung ist.

Viele optische Eigenschaften von Gewebe, wie z. B. die Absorp­ tion, die Streuung und die spektralen Eigenschafen, lassen sich durch Einstrahlung von Licht der genannten Wellenlängen­ bereiche bestimmen. Es ist daher beispielsweise möglich, in der Mammadiagnostik Gewebeveränderungen festzustellen oder in der Pädiatrie und/oder Neurologie Informationen über die Durchblutung des Gehirns zu gewinnen, indem Licht der genann­ ten Wellenlängenbereiche in das jeweilige Objekt, beispiels­ weise eine Mamma oder einen Schädel, eingestrahlt, das aus dem Objekt austretende Licht detektiert wird und die so gewonnenen Informationen in geeigneter Weise ausgewertet werden. Dabei ist vorteilhaft, daß es sich hierbei in der Regel um nicht­ invasive Verfahren handelt. Näheres kann beispielsweise den Veröffentlichungen "Cerebral Oxygenation Measuring System NIR-100" (Tentative Data), Hamamatsu Photonics K.K., System Division, September 1987; "INVOS - In Vivo Optical Spectros­ copy", Somanetics Corporation, USA, und "Cerebral Monitoring in Newborn Infants by Magnetic Resonance and Near Infrared Spectroscopy", D.T. Delpy et al., Departments of Medical Physics and Bioengineering, Paediatrics and Physiology, Uni­ versity College London, entnommen werden. Leider enthält im Falle derartiger Verfahren das zu detektierende aus dem Objekt austretende Licht, es kann sich hierbei um zurückgestreutes (diffus reflektiertes) oder gestreut transmittiertes Licht handeln, Informationen bezüglich des gesamten von dem einge­ strahlten Licht beleuchteten Bereiches des Objektes. Die Mes­ sung ist also nicht ortsselektiv. Dies bedeutet, daß man nicht weiß, welchen Weg das detektierte Licht in dem Objekt einge­ schlagen hat, und/oder nicht feststellbar ist, aus welcher Tiefe des Objektes das detektierte Licht reflektiert wurde. Hinzu kommt, daß man im Falle der Detektion des zurückgestreu­ ten Lichtes das meiste von der Oberfläche des Objektes und dessen oberflächennahen Bereichen zurückgestreute Licht mit­ messen muß, was zu einem schlechten Störabstand der Messung führt, so daß kleinere, hinsichtlich ihrer optischen Eigen­ schaften von dem umgebenden Gewebe abweichende Bereiche, z. B. im Entstehen begriffene Tumore, nicht erkannt werden können. Letzteres gilt auch im Falle der Detektion des durch das Ob­ jekt transmittierten Lichtes, da sich mit zunehmender Dicke des Objektes der Störabstand bis hin zur Unbrauchbarkeit der Ergebnisse verschlechtert.

Bisher wurde im wesentlichen nur eine für die Anwendung in vivo grundsätzlich geeignete Methode bekannt, die für die genannten Probleme ansatzweise eine Lösung bietet. Diese in dem Artikel "Estimation of Optical Pathlength through Tissue from Direct Time of Flight Measurement", D.T. Delpy et al., Phys. Med. Biol., 1988, Vol. 33, No. 12, Seiten 1433 bis 1442, beschriebene Methode basiert auf dem Flugzeit-Meßprinzip unter Verwendung eines Pulslasers als Lichtquelle und einer ultraschnellen Strich-Kamera (streak-camera) als Detektorein­ richtung. Die Pulsdauer des Lasers ist typischerweise geringer als eine Picosekunde. Die Zeitauflösung der Strich-Kamera liegt in der Größenordnung von etwa zwei Picosekunden. Da das Licht in unterschiedlicher Tiefe aus dem zu untersuchenden Licht zurückgestreut wird bzw. auf unterschiedlichen Wegen das Objekt durchdringt, weisen die einzelnen Anteile des zurück­ gestreuten bzw. transmittierten Lichtes unterschiedliche Ankunftszeiten bei der Strich-Kamera auf. Somit lassen sich die detektierten Lichtanteile nach der Ankunftszeit und damit nach der Tiefe im Objekt, aus der sie zurückgestreut wurden, bzw. dem Weg, den sie durch das Objekt genommen haben, selek­ tieren und detektieren. Ein Flugzeit-Meßsystem mit einer hin­ reichenden Zeitauflösung und damit einer hinreichenden Orts­ auflösung ist jedoch kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gewebeoptische Meßanordnung anzugeben, die einfach und kostengünstig aufge­ baut ist und dennoch ortsselektiv arbeitet.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine ge­ webeoptische Meßanordnung für die Untersuchung eines vorzugs­ weise lebenden Objektes mit sichtbarem, NIR- oder IR-Licht, welche die Merkmale des Patentanspruches 1 aufweist. Die Er­ findung macht dabei von der Tatsache Gebrauch, daß Licht, das an einem bewegten Objekt gestreut wird, infolge des Doppler- Effektes eine Frequenzverschiebung erfährt, ein Umstand , von dem beispielsweise auch bei der Laser-Doppler-Anemometrie Ge­ brauch gemacht wird (siehe z. B. "Principles and Practice of Laser-Doppler Anemometry", F. Durst et al., Academic Press, 1976, Chapter 1). Demnach weisen diejenigen Anteile des detek­ tierten Lichtes, die durch von Ultraschall beaufschlagtes Ge­ webe gelaufen sind, gegenüber den anderen Anteilen des detek­ tierten Lichtes eine Frequenzverschiebung auf. Dies hat zur Folge, daß es sich bei dem aus dem Objekt austretenden Licht, das mittels der Detektoreinrichtung detektiert wird, um ein Schwebungs-Lichtsignal handelt. Dessen Modulationstiefe hängt von den Amplituden der beiden das Schwebungs-Lichtsignal bil­ denden Lichtsignale ab. Für die vorliegende Erfindung bedeutet dies, daß die Auswertemittel anhand der Modulationstiefe des ihnen von der Detektoreinrichtung zugeführten Signales die relativen Intensitäten desjenigen Anteiles detektierten Lich­ tes der durch von Ultraschall nicht beaufschlagtes Gewebe, und desjenigen Anteiles detektierten Lichtes, der durch von Ultra­ schall beaufschlagtes Gewebe von der Lichtquelle zu der Detek­ toreinrichtung gelangt, bilden können, indem sie beispiels­ weise gemäß Patentanspruch 2 den Quotienten der beiden Anteile des detektierten Lichtes bilden. Bei geeigneter Eichung der Meßanordnung können auch die absoluten Intensitäten der beiden Anteile des detektierten Lichtes ermittelt werden. Es sind also sogar quantitative Aussagen über die jeweiligen Absorp­ tionskoeffizienten möglich. Mit der erfindungsgemäßen Anord­ nung sind somit ortsselektive Messungen möglich. Dabei hängt die erzielbare Ortsauflösung letztlich nur davon ab, wie "scharf" der von dem Ultraschall beaufschlagte Bereich und der nicht von Ultraschall beaufschlagte Bereich des Objektes ent­ lang der Hauptausbreitungswege des Lichtes und des Ultra­ schalls voneinander abgegrenzt sind. Es versteht sich, daß es einen "mit Ultraschall beaufschlagten" und einen "nicht mit Ultraschall beaufschlagten" Bereich im wortwörtlichen Sinne nicht geben kann, da sich bei Einleitung von Ultraschall in ein Objekt bekanntermaßen ein Schallfeld aufbaut, das sich z. B. durch die örtlich vorliegende Intensität des Ultraschalls beschreiben läßt, und im Falle der Erfindung davon auszugehen ist, daß die Intensität des Ultraschalls im Bereich des Haupt­ ausbreitungsweges des Lichtes größer als Null sein wird. Als nicht von Ultraschall beaufschlagt ist dennoch derjenige Be­ reich anzusehen, in dem die Intensität des Ultraschalls so ge­ ring ist, daß das durch diesen Bereich tretende Licht keine nachweisbare Frequenzverschiebung aufweist. Unter dem Begriff Hauptausbreitungsweg soll übrigens jeweils der Ausbreitungsweg verstanden werden, auf dem sich das Licht bzw. der Ultraschall ohne das Auftreten von Streuungs- und Beugungserscheinungen ausbreiten würde. Es ist offensichtlich, daß die erfindungsge­ mäße Meßanordnung im Vergleich zu der bekannten, auf dem Flug­ zeit-Meßprinzip basierenden Anordnung technisch einfach und kostengünstig aufgebaut ist. Es versteht sich, daß die Abmes­ sungen der Ultraschallquellen derart gewählt sind, daß sie den Ultraschall gerichtet abstrahlen. Aus dem Artikel "′Son et lumière′ a new combined and doppler ultrasound approach to the detection of breast cancer", D.J. Watmough et al., J. Biomed. Eng., Vol. 10, April, Seiten 119 bis 123, ist es zwar bekannt, in Kombination optische Diagnostik und Ultraschall-Diagnostik anzuwenden, jedoch handelt es sich hier um zwei voneinander unabhängige diagnostische Verfahren, die zeitlich aufeinander­ folgend angewendet werden und sich gegenseitig in ihrer Aus­ sage unterstützen sollen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in dem Patentanspruch 2 angegeben. Infolge des Umstandes, daß eine wenigstens im wesentlichen ultraschallfreie Zone vorhan­ den ist, durch den der Hauptausbreitungsweg des Lichtes ver­ läuft, läßt sich ein relativ "scharf" begrenzter von dem detektierten Licht durchlaufener, nicht von Ultraschall be­ aufschlagter Bereich des Objektes realisieren. Dessen Quer­ schnitt quer zu den Hauptausbreitungswegen, der die erzielbare Ortsauflösung bestimmt, ist praktisch nur von der Anordnung der Ultraschallquellen abhängig. Dabei ist eine ringförmige Anordnung der Ultraschallquellen gemäß Patentanspruch 4 be­ sonders zweckmäßig, da sich dann eine eindeutige Abgrenzung der ultraschallfreien Zone ergibt. Der Begriff "ringförmig" soll hier derart verstanden werden, daß die Ultraschallquellen längs einer in sich geschlossenen Linie beliebiger, beispiels­ weise kreisförmiger oder quadratischer Gestalt angeordnet sind. Es besteht in vorteilhafter Weise jedoch auch die Mög­ lichkeit, gemäß Patentanspruch 5 eine ringförmig ausgebildete Ultraschallquelle vorzusehen, wobei auch hier der Begriff "ringförmig" in einem weiteren Sinne, d. h. nicht ausschließ­ lich im Sinne von kreisringförmig, verstanden werden soll. Eine ringförmig ausgebildete Ultraschallquelle bietet den Vor­ teil, daß die ultraschallfreie Zone von einem lückenlosen von Ultraschall beaufschlagten Raum umgeben ist, also eine beson­ ders hohe Ortsauflösung erzielbar ist. Der Schallabsorber ge­ mäß Patentanspruch 6 sorgt dafür, daß an derjenigen Oberfläche des Objektes, an der der eingeleitete Ultraschall aus diesem wieder austritt, im wesentlichen keine Reflexionen auftreten, sondern ein nennenswerter Anteil des zu der Oberfläche gelan­ genden Ultraschalls in den Schallabsorber eingeleitet und dort in Wärme umgewandelt wird. Hierdurch wird die Gefahr erheblich vermindert, daß infolge von Reflexionen an der Oberfläche des Objektes Ultraschall in die ultraschallfreie Zone gelangt. Für die sogenannte "ultraschallfreie Zone" gelten die Ausführungen bezüglich des "nicht mit Ultraschall beaufschlagten Bereiches" sinngemäß, d. h., daß innerhalb der ultraschallfreien Zone die Intensität des Ultraschalls so gering ist, daß das durch die Zone tretende Licht keine nachweisbare Frequenzverschiebung aufweist.

Die Ausführungsform gemäß Patentanspruch 8 bietet den Vorteil, daß das Licht der Lichtquelle, bei der es sich gemäß Patentan­ spruch 7 vorzugsweise um eine Laserdiode handelt, dem zu un­ tersuchenden Objekt und/oder das aus diesem austretende Licht der Detektoreinrichtung, bei der es sich gemäß Patentanspruch 10 vorzugsweise um eine Photodiode oder einen Photomultiplier handelt, störungsfrei zugeführt werden kann. Dabei können die Lichtleitmittel gemäß Patentanspruch 9 auf technisch einfache und kostengünstige Weise durch faseroptische Mittel, z. B. Lichtwellenleiter wie Lichtleitfasern oder Lichtleitfaser- Kabel, gebildet sein.

Die besonders bevorzugten Ausführungsformen gemäß den Patent­ ansprüchen 11 und 12 bieten den Vorteil, daß größere Bereiche des Objektes erfaßt werden können, was die Voraussetzung dafür ist, gemäß Patentanspruch 13 Absorptionos-Arrays zu ermitteln. Die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11 arbeitet übrigens im Transmissions- und die gemäß Patentanspruch 12 im Reflexions­ betrieb. Ob es sich bei den Absorptions-Arrays um zwei- oder dreidimensionale Absorptions-Arrays handelt, hängt von der durchgeführten Abtastbewegung ab, wobei es die Merkmale des Patentanspruches 14 in vorteilhafter Weise gestatten, die gemäß Patentanspruch 13 ermittelten Absorptions-Arrays an­ schaulich darzustellen.

Meßanordnungen gemäß den Ansprüchen 15 bis 17 ermöglichen es, Absorptions-Arrays für unterschiedliche Wellenlängen zu ermit­ teln, was für spektroskopische Untersuchungen wesentlich ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beige­ fügten schematischen Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine nach dem Transmissionsprinzip arbeitende erfin­ dungsgemäße Meßanordnung als Blockschaltbild,

Fig. 2 ein Detail der Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine nach dem Reflexionsprinzip arbeitende erfindungs­ gemäße Meßanordnung als Blockschaltbild, und

Fig. 4 ein Detail der Meßanordnung gemäß Fig. 3.

Die Meßanordnung gemäß Fig. 1 weist eine an eine nicht darge­ stellte Versorgungseinheit angeschlossene im wesentlichen monochromatische Lichtquelle auf, bei der es sich beispiels­ weise um eine Laserdiode 1 handelt die kohärentes Licht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 840 nm, abstrahlt. Das Licht der Laserdiode 1 gelangt zu einem Lichtfaserkoppler 2, mittels dessen es in eine flexible Lichtleitfaser 3 einge­ koppelt wird. Die Lichtleitfaser 3 führt zu einem insgesamt mit 4 bezeichneten Applikationskopf, der an einem starren Rahmen 5 angebracht ist. Ebenfalls an dem Rahmen 5 angebracht ist ein insgesamt mit 6 bezeichneter Detektorkopf. Dieser ent­ hält eine aus einem Photomultiplier 7 mit vorgeschalteter Optik 8 gebildete Detektoreinheit. Der Applikationskopf 4 und der Detektorkopf 6 sind derart an dem Rahmen 5 angebracht, daß das die Lichtaustrittszone der Meßanordnung bildende Lichtaus­ trittsende der Lichtleitfaser 3 und die als Streustrahlenblen­ de wirkende rohrförmige Eintrittsöffnung 9 des Detektorkopfes 6 derart miteinander fluchten, daß bei Abwesenheit eines Ob­ jektes zwischen Applikationskopf 4 und Detektorkopf 6 das von der Lichtleitfaser 3 ausgehende Licht wie in Fig. 1 strich­ punktiert dargestellt mittig durch die die Lichteintrittszone der Meßanordnung bildende Eintrittsöffnung 9 des Detektor­ kopfes 6 tritt und durch die Optik 8 zu dem Photomultiplier 7 gelangt. Dem Photomultiplier 7 ist eine schematisch angedeu­ tete Blende vorgeschaltet.

Der Applikationskopf 4, dessen zur Anlage an ein zu unter­ suchendes Objekt 11, beispielsweise eine weibliche Brust, vor­ gesehene Stirnfläche in Fig. 2 dargestellt ist, enthält außer dem Lichtaustrittsende der Lichtleitfaser 3, die sich bis zu der genannten Stirnfläche erstreckt, sechs Ultraschall-Quellen 10a bis 10f, die in Abständen von 60° längs des Umfanges eines Kreises verteilt angeordnet sind, in dessen Zentrum sich die Lichtleitfaser 3 befindet. Der Applikationskopf 4 weist ein topfförmiges Gehäuse 12 auf, das mit einer geeigneten Verguß­ masse 13 ausgefüllt ist, in die die Lichtleitfaser 3 und die Ultraschall-Quellen 10a bis 10f eingebettet sind. Die Ultra­ schall-Quellen 10a bis 10f sind in nicht dargestellter Weise an eine Generatoreinrichtung angeschlossen, die sie zur Erzeu­ gung von Ultraschall einer Frequenz von beispielsweise 5 MHz antreibt. Die kreisförmigen Abstrahlflächen der beispielsweise als Piezo-Schwinger ausgeführten Ultraschall-Quellen 10a bis 10f, die an dem zu untersuchenden Objekt 11 anliegen, weisen unter Berücksichtigung der Wellenlängen des abgestrahlten Ultraschalles in dem Objekt 11 einen solchen Durchmesser auf, daß sie den Ultraschall gerichtet abstrahlen, und zwar derart, daß sich der Ultraschall hauptsächlich in parallel zum Haupt­ ausbreitungsweg des Lichtes wenigstens im wesentlichen rota­ tionssymmetrischen Zonen des Objektes 11 ausbreitet, die parallel zu der strichpunktiert angedeuteten Hauptausbrei­ tungsrichtung des von der Lichtleitfaser 3 ausgehenden Lich­ tes verlaufen und deren Durchmesser jeweils wenigstens im wesentlichen dem der Abstrahlfläche der entsprechenden Ultra­ schall-Quelle 10a bis 10d entspricht. Es ergibt sich dann eine sich von dem Lichtaustrittsende der Lichtleitfaser 3 zu der Eintrittsöffnung 9 des Detektorkopfes 10 erstreckende ultra­ schallfreie Zone Z in dem Objekt 11, die von sechs Bereichen ringartig umgeben ist, die von Ultraschall beaufschlagt sind. Die in Fig. 1 sichtbaren von Ultraschall beaufschlagten Be­ reiche sind durch strichlierte gerade, parallele Begrenzungs­ linien und eine abweichende Schraffur angedeutet. Es versteht sich, daß die von Ultraschall beaufschlagten Bereiche in Wirk­ lichkeit nicht von zylindrischer Gestalt sind, sondern die für das Schallfeld von gerichtet abstrahlenden Ultraschall-Quellen typische Gestalt aufweisen.

Um zu verhindern, daß durch Reflexion an der von dem Therapie­ kopf 4 abgewandten Seite des Objektes 11 Ultraschall in die ultraschallfreie Zone Z gelangt, ist auf den Detektorkopf 6 im Bereich der Eintrittsöffnung 9 ein ringförmiger Schallabsorber 14 aufgesetzt, der an der Oberfläche des Objektes 11 anliegt. Geeignete Schallabsorber, die im Bereich ihrer Anlagefläche an dem Objekt 11 eine der des Objektes 11 angepaßte akustische Impedanz aufweisen, die sich mit zunehmender Entfernung von dem Objekt 11 allmählich verringert, im Idealfall auf die akustische Impedanz der umgebenden Luft sind aus der Ultra­ schalltechnik bekannt.

Das elektrische Ausgangssignal des Photomultipliers 7 gelangt, nachdem es erforderlichenfalls in nicht dargestellter Weise verstärkt wurde, zu einem Analog/Digital-Wandler 16, dessen digitale Ausgangsdaten einer elektronischen Recheneinrichtung 17 zugeführt sind. Diese weist eine der Bedienung der Meßan­ ordnung dienende Tastatur 18 und ein Monitor 19 auf.

Die Funktionsweise der beschriebenen Meßanordnung beruht dar­ auf, daß infolge des Umstandes, daß es sich bei dem Gewebe des Objektes 11 um ein optisch trübes Medium handelt, nur ein ge­ ringer Teil des mittels des Detektorkopfes 6 detektierten Lichtes zu der Eintrittsöffnung 9 des Detektorkopfes 6 ge­ langt, ohne infolge der in trüben Medien in hohem Maße auf­ tretenden Streuungserscheinungen die ultraschallfreie Zone Z verlassen zu haben. Diejenigen Anteile des mittels des Detek­ torkopf es 6 detektierten Lichtes, die die ultraschallfreie Zone Z verlassen haben, wurden mit sehr hoher Wahrscheinlich­ keit in einem der Bereiche, die mittels der Ultraschall-Quel­ len 10a bis 10f mit Ultraschall beaufschlagt sind, nochmals gestreut. Da die mit Ultraschall beaufschlagten Bereiche des Objektes 10 nicht in Ruhe sind, sondern infolge der Beauf­ schlagung mit Ultraschall oszillieren, weisen diejenigen Anteile des detektierten Lichtes, die in den mit Ultraschall beaufschlagten Bereichen gestreut wurden, eine auf dem Dopp­ ler-Effekt beruhende Frequenzverschiebung gegenüber denjenigen Anteilen des detektierten Lichtes auf, die die ultraschall­ freie Zone Z nicht verlassen haben. In den Detektorkopf 6 tritt also ein Schwebungs-Lichtsignal ein, das durch die Über­ lagerung des in den mit Ultraschall beaufschlagten Bereichen gestreuten Lichtes mit demjenigen Licht zustandekommt, das die ultraschallfreie Zone Z nicht verlassen hat. Dieses Schwe­ bungs-Lichtsignal gelangt durch die Optik 8, die für eine für die Detektion mittels des Photomultipliers 7 ausreichende Vergrößerung der subjektiven Speckelgröße (siehe hierzu "Speckle Interferometry", A.E. Ennos, in "Laser Speckle and Related Phenomenon" , Editor J.C. Dainty, Springer-Verlag, 1984, Seiten 203 bis 253) sorgt, zu dem Photomultiplier 7. Das Ausgangssignal des Photomultipliers 7 entspricht sozusagen dem demodulierten Schwebungs-Lichtsignal, d. h. es gibt den Verlauf der Modulationstiefe des Schwebungs-Lichtsignales wieder. Da sich bekanntlich aus der Modulationstiefe bzw. aus der mini­ malen und maximalen Amplitude eines Schwebungssignales die Amplituden der beiden zu dem Schwebungssignal überlagerten Ursprungssignale ermitteln lassen, enthält das Ausgangssignal des Photomultipliers also wenigstens Informationen über den Quotienten der Intensitäten der beiden zu dem Schwebungs- Lichtsignal überlagerten Anteile des detektierten Lichtes. Bei geeigneter Eichung der Meßanordnung können auch die Intensi­ täten der beiden Anteile des detektierten Lichtes und somit Absorptionskoeffizienten ermittelt werden. Sowohl die Quotien­ tenbildung als auch gegebenenfalls die Berechnung der Intensi­ täten und/oder Absorptionskoeffizienten erfolgt mittels der elektronischen Recheneinrichtung, der das mittels des Analog/ Digital-Wandlers 16 digitalisierte Ausgangssignal des Photo­ multipliers 7 zugeführt ist. Die entsprechenden Werte werden auf dem Monitor 19 angezeigt.

Mittels der erfindungsgemäßen Meßanordnung ist es somit mög­ lich, über einen hinsichtlich seiner Lage in dem Objekt 11 exakt definierten Bereich, nämlich die ultraschallfreie Zone Z, Aussagen hinsichtlich des Absorptionsverhaltens bei der Wellenlänge des mittels der Laserdiode 1 erzeugten Lichtes zu machen. Dabei hängt die erzielbare Ortsauflösung lediglich von der Querschnittsfläche der ultraschallfreien Zone Z ab, die diese rechtwinklig zur Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes bzw. des Ultraschalls aufweist.

Um spektroskopische Untersuchungen vornehmen zu können, sind außer der Laserdiode 1 zusätzliche Laserdioden 21 und 20 vor­ gesehen, die jeweils kohärentes monochromatisches Licht mit von der des mittels der Laserdiode 1 erzeugten Lichtes ab­ weichender Wellenlänge erzeugen. Die Laserdiode 20 erzeugt beispielsweise Licht einer Wellenlänge von 760 nm und die Laserdiode 21 mit einer Wellenlänge von 800 nm. Die Laser­ dioden 1, 20 und 21 sind an einem insgesamt mit 22 bezeich­ neten Halter angebracht, der mittels eines von der elektro­ nischen Recheneinrichtung 17 gesteuerten Verstellmechanismus 23 derart verstellbar ist, daß auch das Licht der Laserdiode 20 oder der Laserdiode 21 mittels des Lichtfaserkopplers 2 in die Lichtleitfaser 3 eingekoppelt werden kann, wobei die jeweilige Laserdiode in nicht dargestellter Weise mittels der elektroni­ schen Recheneinrichtung 17 gesteuert zur Lichtabgabe aktiviert wird. Es besteht dann die Möglichkeit, für unterschiedliche Lichtwellenlängen in der zuvor beschriebenen Weise das Absorp­ tionsverhalten der ultraschallfreien Zone Z zu untersuchen.

Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, ist das Objekt 11 zwischen zwei Kompressionsplatten 24 und 25 eingepreßt. Die Kompres­ sionsplatten 24, 25 weisen jeweils eine Öffnung 26, 27 auf, durch die der Applikationskopf 4 bzw. der Schallabsorber 14 mit dem Objekt 11 in Eingriff stehen, dessen durch die Öffnun­ gen 26 bzw. 27 zugängliche Oberfläche infolge der Kompression im wesentlichen eben ist. Die Öffnungen 26 und 27 sind derart bemessen, daß der Therapiekopf 4 und der Detektorkopf 6 mit dem Schallabsorber 14 gemeinsam relativ zu dem Objekt 11 ver­ stellt werden können. Hierzu dient ein auf den Rahmen 5 ein­ wirkender Verstellmechanismus 28, der wie auch der Verstell­ mechanismus 23 von der elektronischen Recheneinrichtung 17 gesteuert wird. Der Verstellmechanismus 28 gestattet es, den Applikationskopf 4 gemeinsam mit dem Detektorkopf 6 samt Schallabsorber 14 zum einen entlang einer ersten Achse, die senkrecht zur Zeichenebene verläuft, und zum anderen entlang einer zweiten Achse zu verstellen, die parallel zu den Ebenen der Kompressionsplatten 24 und 25 verläuft und die erste Achse vorzugsweise rechtwinklig schneidet. Die elektronische Rechen­ einrichtung 17 ist in der Lage, den Verstellmechanismus 28 derart anzusteuern, daß er den Applikationskopf 4 und den Detektorkopf 6 mit dem Schallabsorber 14 im Sinne der Abtast­ bewegung relativ zu dem Objekt 11 verstellt. Diese Abtastbe­ wegung kann beispielsweise dadurch zustande kommen, daß der Rahmen zunächst schrittweise in beispielsweise zehn Schritten um ein definiertes Gesamtmaß, das beispielsweise der 10fachen Schrittweite entspricht, in der einen Richtung entlang der ersten Achse verschoben wird. Anschließend wird der Rahmen 5 um einen Schritt entlang der zweiten Achse verschoben, wobei hierbei die Schrittweite vorzugsweise der Schrittweite bei der Verschiebung längs der ersten Achse entspricht. Nun wird der Rahmen 5 wieder um das definierte Gesamtmaß schrittweise ent­ lang der ersten Achse verstellt, jedoch in der anderen Rich­ tung. Nach erfolgter Verschiebung um das definierte Maß er­ folgt wieder eine schrittweise Verschiebung des Rahmens in Richtung der zweiten Achse, und zwar in der gleichen Richtung wie zuvor. Diese Vorgänge wiederholen sich, bis der Rahmen auch in Richtung der zweiten Achse um ein definiertes Gesamt­ maß verschoben ist, das beispielsweise ebenfalls der 10fachen Schrittweite entsprechen kann. Die Schrittweiten können bei­ spielsweise der maximalen Erstreckung des Querschnittes der ultraschallfreien Zone Z in Richtung der jeweiligen Achse ent­ sprechen.

Falls die Untersuchung für Licht nur einer Wellenlänge vorge­ nommen werden soll, wird vor Beginn der Abtastbewegung die entsprechende Laserdiode durch geeignete Betätigung des Ver­ stellmechanismus 23 derart verstellt, daß ihr Licht in die Lichtleitfaser 3 eingekoppelt wird, in jeder Position, die der Rahmen 5 bei der Abtastbewegung einnimmt, die entsprechende Laserdiode aktiviert und das sich ergebende Ausgangssignal des Photomultipliers 7 in der zuvor beschriebenen Weise mittels der elektronischen Recheneinrichtung 17 ausgewertet. Soll die Untersuchung für mehrere Wellenlängen durchgeführt werden, werden für jede Position der Abtastbewegung aufeinanderfolgend die entsprechenden Photodioden durch geeignete Betätigung des Verstellmechanismus 23 so verstellt, daß ihr Licht in den Lichtfaserkoppler 2 fällt und zur Lichtabgabe aktiviert und die zugehörigen Ausgangssignale des Photomultipliers mittels der elektronischen Recheneinrichtung 17 ausgewertet. Dabei ordnet die elektronische Recheneinrichtung 17 die Daten zu­ nächst anhand der Wellenlänge, bei der sie ermittelt wurden, zu einer der Anzahl der bei der Messung verwendeten Wellenlän­ gen entsprechenden Anzahl von Datensätzen zu, von denen jeder ein zu einer bestimmten Wellenlänge gehöriges Absorptions- Array darstellt. Die entsprechenden Daten können numerisch auf dem Monitor 19 angezeigt werden. Die elektronische Rechenein­ richtung 17 ist aber auch in der Lage, den unterschiedlichen Quotienten bzw. Absorptionskoeffizienten eines Absorptions- Arrays unterschiedliche Farb- oder Grauwerte zuzuordnen und das entsprechende Bild auf dem Monitor 19 darzustellen, wobei es sich bei den so erhaltenen Bildern sozusagen um durch Parallelprojektion erhaltene "Schattenbilder" handelt.

Die in Fig. 3 dargestellte erfindungsgemäße Meßanordnung stimmt mit der zuvor beschriebenen in bestimmten Punkten überein, weshalb jeweils gleiche oder ähnliche Elemente das gleiche Bezugszeichen tragen.

Im Falle der Meßanordnung gemäß Fig. 3 sind wieder die drei Laserdioden 1, 20 und 21 vorhanden, die Licht der Wellenlänge 760 nm, 800 nm und 840 nm erzeugen. Außer dem Lichtfaserkopp­ ler 2 und der Lichtleitfaser 3, die der Laserdiode 1 fest zu­ geordnet sind, sind Lichtfaserkoppler 29 und 31 sowie mit diesen verbundene Lichtleitfasern 30 und 32 vorgesehen, die der Laserdiode 20 bzw. 21 fest zugeordnet sind. Die Lichtleit­ fasern 3, 30 und 32 sind in einem Applikationskopf 33, der gemäß Fig. 4 eine einzige kreisringförmige Ultraschall-Quelle 34 enthält, derart aufgenommen, daß sie durch die Bohrung der Ultraschall-Quelle 34 verlaufen und die aus ihren Lichtaus­ trittsenden austretenden Lichtstrahlen bei Abwesenheit des Objektes 11 parallel verlaufen.

Eine weitere Lichtleitfaser 35 dient dazu, einer Detektorein­ heit 36, die eine Optik 37 und eine Fotodiode 38 enthält, das aus dem zu untersuchenden Objekt 11, beispielsweise wieder einer weiblichen Brust, austretende Licht zuzuführen. Da im Gegensatz zu der zuvor beschriebenen Meßanordnung nicht das durch das Objekt 11 transmittierte, sondern das aus dem Objekt 11 zurückgestreute Licht detektiert wird, ist auch das Licht­ eintrittsende der Lichtleitfaser 35 in dem Applikationskopf 33 ausgenommen, und zwar derart, daß es in der aus Fig. 4 er­ sichtlichen Weise von den Lichtaustrittsenden der Lichtleit­ fasern 3, 32 und 33 umgeben ist. Bei den Lichtaustrittsenden der Lichtleitfasern 3, 32 und 33 handelt es sich um die Licht­ austrittszone der Meßanordnung, während deren Lichteintritts­ zone durch das Lichteintrittsende der Lichtleitfaser 35 gebil­ det ist. Die sich an die Lichtaustrittsenden bzw. das Licht­ eintrittsende anschließenden, in dem Applikationskopf 33 auf­ genommenen Abschnitte der Lichtleitfasern 3, 32, 33 und 35 verlaufen parallel zueinander. Die Enden der Lichtleitfasern 3, 32, 33 und 35 sowie die Ultraschall-Quelle 34 sind in einem topfförmigen Gehäuse 39 aufgenommen, das ansonsten mit einer geeigneten Vergußmasse 40 ausgefüllt ist. Die Abmessungen der Ultraschall-Quelle 34 sind wieder derart gewählt, daß diese den Ultraschall gerichtet abstrahlt, und zwar derart, daß sich in dem Objekt 11 ein rohrförmiger von Ultraschall beaufschlag­ ter Bereich ergibt, innerhalb dessen sich eine ultraschall­ freie Zone Z befindet. Der mit Ultraschall beaufschlagte Bereich ist in Fig. 3 wieder durch strichliert dargestellte gerade, parallele Begrenzungslinien und abweichende Schraffur gekennzeichnet. Bezüglich der tatsächlichen Gestalt des mit Ultraschall beaufschlagten Bereiches gelten die diesbezüg­ lichen Ausführungen im Zusammenhang mit der Fig. 1 sinngemäß. Der Verlauf des aus den Lichtleitfasern 3, 30, 32 austretenden und der des in der ultraschallfreien Zone Z zu der Lichtleit­ faser 35 zurückgestreuten Lichtes ist jeweils strichpunktiert angedeutet. Der Applikationskopf 33 ist an einem starren Trä­ ger 5 angebracht, an dem dem Applikationskopf 33 gegenüber­ liegend außerdem ein Schallabsorber 41 angebracht ist. Dieser weist im Gegensatz zu dem Schallabsorber des zuvor beschrie­ benen Ausführungsbeispieles keine Öffnung auf.

Da in das Objekt gleichzeitig Licht dreier unterschiedlicher Wellenlängen eingestrahlt wird, handelt es sich bei dem aus dem Objekt 11 zurückgestreuten Licht um ein Gemisch von drei Schwebungs-Lichtsignalen. Dies ist deshalb der Fall, weil die Frequenzverschiebung, die diejenigen Anteile des detektierten Lichtes erfahren, die in dem mit Ultraschall beaufschlagten Bereich des Objektes 11 gestreut wurden, von der Wellenlänge des gestreuten Lichtes abhängt. Demnach handelt es sich auch bei dem elektrischen Ausgangssignal der Fotodiode 38 der Detektoreinheit 36 um ein Signalgemisch, das demjenigen Signal entspricht, das sich bei der Demodulation des Gemisches von Schwebungs-Lichtsignalen ergeben würde. Das Ausgangssignal der Fotodiode 38 ist drei parallelgeschalteten Bandpaßfiltern 42, 43, 44 zugeführt. Deren Mittelfrequenzen sind derart gewählt, daß jede Mittenfrequenz der Schwebungs-Frequenz eines anderen in dem Gemisch von Schwebungs-Lichtsignalen enthaltenen Schwe­ bungs-Lichtsignales entspricht. Die Ausgangssignale der Band­ paßfilter 42, 43, 44 enthalten also Informationen über das Ab­ sorptionsverhalten der ultraschallfreien Zone Z bezüglich je­ weils einer der verwendeten Lichtwellenlänge. Die Ausgangs­ signale der Bandpaßfilter 42, 43, 44 sind den Eingängen eines 3 zu 1-Analog-Multiplexers 45 zugeführt. Dessen Ausgang ist mit dem Eingang des Analog/Digital-Wandlers 16 verbunden. Die digi­ talen Ausgangsdaten des Analog/Digital-Wandlers 16 sind der elektronischen Recheneinrichtung 17 zugeführt, an die wieder die Tastatur 18 und der Monitor 19 angeschlossen sind. Außer­ dem ist an die elektronische Recheneinrichtung 17 der dem Rah­ men 5 zugeordnete Verstellmechanismus 28 angeschlossen, der dazu dient, den Rahmen 5 mit dem Applikationskopf 33 und dem Schallabsorber 41 in der im Zusammenhang mit der Fig. 1 be­ schriebenen Weise zur Durchführung einer Abtastbewegung zu verstellen. Die im Zuge dieser Abtastbewegung anfallenden Daten speichert die elektronische Recheneinrichtung 17 und verarbeitet sie in der zuvor beschriebenen Weise zu den ein­ zelnen Wellenlängen zugeordneten Absorptions-Arrays, die mit­ tels des Monitors 19 numerisch oder graphisch angezeigt wer­ den.

Die Bandpaßfilter 42, 43 und 44 sowie der Multiplexer 45 kön­ nen auch entfallen, wenn in nicht dargestellter Weise eine optische Filtereinrichtung vorgesehen ist, die es gestattet, der Fotodiode 38 abwechselnd optische Filter vorzuschalten, deren Filterwirkung jeweils so gewählt ist, daß jedes Filter eine der verwendeten Wellenlängen durchläßt. Es müssen dann bei einer Meßanordnung entsprechend der Fig. 3 drei den ver­ wendeten Wellenlängen angepaßte Filter vorhanden sein, die mittels der elektronischen Recheneinrichtung 17 gesteuert für jede Position der Abtastbewegung aufeinanderfolgend in den Strahlengang gebracht werden. Alternativ besteht auch die Mög­ lichkeit, für jede der verwendeten Wellenlängen eine separate Detektoreinheit vorzusehen, die entsprechend der Detektorein­ heit 36 aufgebaut ist, jedoch zusätzlich ein der jeweiligen Wellenlänge angepaßtes optisches Filter enthält. Das mittels der Lichtleitfaser 35 aufgenommene zurückgestreute Licht kann den Detektoreinheiten über einen geeigneten Strahlteiler zuge­ führt werden. Die Ausgangssignale der Fotodioden der Detektor­ einheiten sind dem Analog/Digital-Wandler 16 dann über einen 3 zu 1-Analog-Multiplexer zuzuführen. Schließlich besteht auch die Möglichkeit, das Ausgangssignal der Laserdiode 38 direkt dem Analog/Digital-Wandler 16 zuzuführen, wenn von der elek­ tronischen Recheneinrichtung 17 gesteuert die Laserdioden 1, 20 und 21 für jede Position der Abtastbewegung einzeln aufein­ anderfolgend aktiviert werden.

Die Detektoreinheit 6 muß im Falle der Fig. 1 nicht notwendi­ gerweise an dem Träger 5 angebracht sein. Vielmehr kann in zur Fig. 3 analoger Weise eine Lichtleitfaser vorgesehen sein, die der Detektoreinheit das aus dem Objekt 11 austretende Licht zuführt. Diese Lichtleitfaser würde sich dann durch eine in dem an dem Träger 5 angebrachten Schallabsorber vorgesehene Öffnung erstrecken. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Laserdioden 1, 20, 21 in dem Applikationskopf dicht bei der Oberfläche des Objektes anzuordnen und jeweils die gewünschte Laserdiode zu aktivieren. Dies bietet den Vorteil, daß der Lichtfaserkoppler 2, die Lichtleitfaser 3 und der Verstell­ mechanismus 23 bzw. die Lichtfaserkoppler 2, 29, 31 und die Lichtleitfasern 3, 30, 32 entfallen können.

Die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebene Abtastbewegung ist nur beispielhaft zu verstehen. Es sind auch andere Abtastbewegungen möglich. Insbesondere bei der im Transmissionsbetrieb arbeitenden Meßanordnung kann es zweck­ mäßig sein, die Lichtaustritts- und die Lichteintrittszone schrittweise auf einer Kreisbahn um das Objekt 11 herumzufüh­ ren. Die so erhaltenen Daten können mittels der elektronischen Recheneinrichtung nach einem Algorithmus verarbeitet werden, der dem bei der Röntgen-Computertomographie verwendeten Algo­ rithmus entspricht. Es können dann Schnittbilder der abge­ tasteten Schicht des Objektes 11 erzeugt werden. Im Falle der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind als Lichtquellen Laserdioden vorgesehen. Grundsätzlich besteht aber auch die Möglichkeit, Gas- oder Festkörperlaser zu verwenden.

Nicht nur die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen genannten Licht-Wellenlängen sind brauchbar. Es kommt viel­ mehr, je nach Untersuchung, der gesamte eingangs genannte Wellenlängenbereich in Frage.

Claims (18)

1. Gewebeoptische Meßanordnung für die Untersuchung eines vor­ zugsweise lebenden Objektes (11) mit sichtbarem, NIR- oder IR- Licht, aufweisend

• a) eine Lichtquelle (1, 20, 21) für kohärentes Licht, deren Licht dem zu untersuchenden Objekt (11) zugeführt ist,
• b) eine Detektoreinrichtung (6; 36) für aus dem zu unter­ suchenden Objekt (11) austretendes Licht,
• c) Auswertemittel (17), denen das Ausgangssignal der Detektor­ einrichtung (6; 36) zugeführt ist, und
• d) wenigstens eine Ultraschall-Quelle (10a bis 10f; 34), deren Ultraschall dem zu untersuchenden Objekt (11) zugeführt ist,

wobei die Lichtquelle (1, 20, 21) und die Ultraschall-Quelle (10a bis 10f; 34) relativ zueinander derart angeordnet sind, daß die Hauptausbreitungswege des Lichtes und des Ultraschalls wenigstens im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und wobei die Auswertemittel (17) relativ und/oder absolut die Intensität desjenigen Anteiles des detektierten Lichtes einer­ seits, der durch von dem Ultraschall nicht beaufschlagtes Ge­ webe des Objektes (11) von der Lichtquelle (1, 20, 21) zu der Detektoreinrichtung (6; 36) gelangt, und die Intensität des­ jenigen Anteiles des detektierten Lichtes andererseits ermit­ teln, der durch von Ultraschall beaufschlagtes Gewebe des Ob­ jektes (11) von der Lichtquelle (1, 20, 21) zu der Detektor­ einrichtung (6; 36) gelangt.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswertemittel (17) die Intensitäten der Anteile des detektierten Lichtes relativ er­ mitteln, indem sie den Quotienten der Intensitäten der detek­ tierten Anteile bilden.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ultraschall-Quel­ len (10a bis 10f) vorgesehen sind, die derart angeordnet sind, daß das von Ultraschall beaufschlagte Gewebe des Objektes (11) eine wenigstens im wesentlichen ultraschallfreien Zone (Z) umgibt, wobei der Hauptausbreitungsweg des Lichtes in der ultraschallfreien Zone (Z) verläuft.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ultraschall-Quellen (10a bis 10f) ringförmig angeordnet sind.

5. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine ringförmig ausgebil­ dete Ultraschall-Quelle (34) vorgesehen ist und der Hauptaus­ breitungsweg des Lichtes entlang der Mittelachse der ringför­ migen Ultraschall-Quelle (34) verläuft.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Schall­ absorber (14; 41) zur Absorption des aus dem Objekt (11) aus­ tretenden Ultraschalls vorgesehen ist.

7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß als Licht- Quelle eine Laserdiode (1, 20, 21) vorgesehen ist.

8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (1, 20, 21) dem zu untersuchenden Objekt (11) mit ersten und/oder das aus dem Objekt (11) austretende Licht der Detektoreinrichtung (6; 36) mit zweiten Lichtleitmitteln (3; 3, 30, 32 bzw. 35) zugeführt ist.

9. Meßanordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die ersten und/oder die zweiten Lichtleitmittel durch faseroptische Mittel (3; 3, 30, 32 bzw. 35) gebildet sind.

10. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Detektor­ einrichtung (6; 36) einen Photomultiplier (7) oder eine Foto­ diode (38) enthält.

11. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Lichtaus­ trittszone, aus welcher das dem zu untersuchenden Objekt (11) zugeführte Licht austritt, und eine Lichteintrittszone, in welche das der Detektoreinrichtung (6; 36) zugeführte, aus dem zu untersuchenden Objekt (11) austretende Licht eintritt, vor­ gesehen sind, wobei die Lichtaustritts- und Lichteintrittszone einander gegenüberliegend angeordnet sind und die Lichtaus­ tritts- und Lichteintrittszone einerseits und das zu unter­ suchende Objekt (11) andererseits im Sinne einer Abtastbewe­ gung relativ zueinander verstellbar sind.

12. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Lichtaus­ trittszone, aus welcher das dem zu untersuchenden Objekt (11) zugeführte Licht austritt, und eine Lichteintrittszone, in welche das der Detektoreinrichtung zugeführte, aus dem zu untersuchenden Objekt (11) austretende Licht eintritt, vorge­ sehen sind, wobei die Lichtaustritts- und die Lichteintritts­ zone dicht beieinander angeordnet sind und die Lichtaustritts- und die Lichteintrittszone einerseits und das zu untersuchende Objekt (11) andererseits im Sinne einer Abtastbewegung relativ zueinander verstellbar sind.

13. Meßanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertemittel (17) ein wenigstens zweidimensionales Absorptions-Array von Absorp­ tionskoeffizienten eines abgetasteten Bereiches des zu unter­ suchenden Objektes (11) errechnen.

14. Meßanordnung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auswertemittel (17) eine graphische Ausgabeeinrichtung (19) aufweisen, mittels derer errechnete Absorptions-Arrays darstellbar sind, wobei unter­ schiedlichen Absorptionskoeffizienten unterschiedliche Farb- oder Grauwerte zugeordnet sind.

15. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Licht­ quellen (1, 20, 21) unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen sind, und daß jeweils das Licht einer der Lichtquellen (1, 20, 21) dem zu untersuchenden Objekt (11) zugeführt ist.

16. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Licht­ quellen (2, 20, 21) unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen sind, deren Licht dem zu untersuchenden Objekt (11) gleich­ zeitig zugeführt ist.

17. Meßanordnung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (36) zur Detektion von Licht der unterschiedlichen Wellenlängen betreibbar ist.