DE3103609A1 - DEVICE AND METHOD FOR EXAMINING BIOLOGICAL MATERIALS - Google Patents
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Description
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DipL-Chem. Dr. Gerhard SchupinerDipL-Chem. Dr. Gerhard Schupiner
Dipl.-Ing. Hans-Peter Gauger 3 1 O 3 ß Π QDipl.-Ing. Hans-Peter Gauger 3 1 O 3 ß Π Q
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V.St.A
Einrichtung und Verfahren zum Untersuchen biologischer MaterialienDevice and method for examining biological materials
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Einrichtung und Verfahren zum Untersuchen' biologischer MaterialienApparatus and method for studying biological materials
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur quantitativen Messung der Absorption, der Brechung und der Streuung als eine Funktion der Wellenlänge in biologischem, insbesondere lebendem menschlichem Gewebe unter Anwendung nichtionisierender Strahlung.The invention relates to a device and a method for the quantitative measurement of absorption, refraction and scattering as a function of wavelength in biological, especially living human tissue using non-ionizing radiation.
Bekannte Verfahren zur Untersuchung von menschlichem Gewebe zum Zweck der Erfassung der darunter befindlichen inneren Struktur verwenden verschiedene Techniken unter Einsatz von Röntgenstrahlen, computergestutzte Axialtomographie mit Röntgenstrahlen, thermographische und Ultraschall-Untersuchungstechniken. Mit Röntgenstrahlen werden zwar gute Abbildungen innerer Körperstrukturen erhalten, es handelt sich dabei jedoch um ionisierendeKnown methods for examining human tissue for the purpose of detecting the underlying tissue internal structure use various techniques using X-rays, computed axial tomography with X-rays, thermographic and ultrasonic examination techniques. With x-rays good images of internal body structures are obtained, but they are ionizing
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Strahlung, die für den Patienten das Risiko der Krebserzeugung in sich schließt. Diese Risiko ist bei der Feststellung von Schädigungen des Brustgewebes von besonderer Bedeutung. Ganz unabhängig von dem mit dem Einsatz von Röntgenstrahlen einhergehenden strahlungsdosimetrischen Risiko ist die Anwendung von Röntgenstrahlung vom Gesichtspunkt der Energienutzung nachteilig. Eine herkömmliche Röntgenröhre besteht aus einer Anoden-Kathoden-Einheit, die in einem evakuierten Glasmantel untergebracht ist. Die Anode ist üblicherweise ein massives Kupferstück, in dem eine kleine Wolfram-Fangelektrode angeordnet ist. Die Kathodeneinheit umfaßt normalerweise einen Wolframdrahtfaden, der in einem flachvertieften Kathodenbecher angeordnet ist. Der erhitzte Wolframfaden bildet die Elektronenquelle, und die Elektronen werden durch Anlegen einer Hochspannung zwischen Anode und Kathode in Richtung zur Anode beschleunigt Selbst im günstigsten Fall beträgt die aktive Strahlungsleistung einer solchen Einheit 1 oder 2 % der gesamten Elektronenenergie. D. h., der größte Teil der Energie geht in der Fangelektrode als Stoßenergie oder Wärme verloren. Zusätzlich zu den vorgenannten Nachteilen von Röntgenverfahren bei der Gewebsuntersuchung sind die ordnungsgemäße Abschirmung und das Richten eines Röntgenstrahls unter Einsatz einer Blende und von Öffnungen erforderlich, damit man entweder eine brauchbare Filmbelichtung oder eine zufriedenstellende Behandlung erzielt.Radiation that carries the risk of carcinogenesis for the patient. This risk is of particular importance when determining breast tissue damage. Quite independently of the radiation dosimetric risk associated with the use of X-rays, the use of X-rays is disadvantageous from the point of view of energy use. A conventional X-ray tube consists of an anode-cathode unit which is housed in an evacuated glass jacket. The anode is usually a solid piece of copper in which a small tungsten target is arranged. The cathode assembly normally comprises a tungsten wire filament which is disposed in a shallowly recessed cathode can. The heated tungsten filament forms the electron source, and the electrons are accelerated towards the anode by applying a high voltage between anode and cathode. Even in the best case, the active radiation power of such a unit is 1 or 2 % of the total electron energy. This means that most of the energy is lost in the target electrode as impact energy or heat. In addition to the aforementioned disadvantages of x-ray tissue examination techniques, proper shielding and directing of an x-ray beam using a shutter and apertures are required in order to achieve either a usable film exposure or a satisfactory treatment.
Beim Einsatz von thermographischen Techniken bei der Untersuchung von menschlichem Gewebe handelt es sich zwar um nichtaggressive Infrarotenergie, es treten dabei aber eine Anzahl Nachteile auf, die diese Technik für die Diagnose, insbesondere im Fall von Gewebsschädigungen der menschlichen Brust, ungeeignet machen. Im allgemeinenThe use of thermographic techniques when examining human tissue is non-aggressive infrared energy, but it does occur a number of disadvantages that this technique has for diagnosis, particularly in the case of tissue damage the human breast, make it unsuitable. In general
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verläßt man sich bei der Feststellung von Brustgewebsschädigungen nicht ausschließlich auf die Thermographie, sondern zusätzlich wird normalerweise die Mammographie eingesetzt. Ein Grund für den gemeinsamen Einsatz von Röntgenverfahren und Thermographie zum Erfassen von Brustgewebsschädigungen ist das Problem, eine thermographische Maschine hinreichend stabil für quantitative und reproduzierbare Messungen zu halten. Der für die Umwandlung der Infrarot-Strahlungsenergie in eine Anzeige erforderliche hohe Verstärkungsfaktor macht das System sehr anfällig und empfindlich für Systemabweichungen. Eine geringe Empfindlichkeitsabweichung des Detektors hat eine Änderung der Intensität der Anzeige in bezug auf die Temperatur der abgetasteten Oberfläche zur Folge. Ganz abgesehen von diesem Problem muß ferner ein Kühlmittel wie Flüssigstickstoff eingesetzt werden, um die Temperatur des Strahlungsenergie-Detektors innerhalb brauchbarer Temperaturbereiche zu halten. Daher sind beträchtliche Energiemengen erforderlich, um eine Temperatur von -198 C, bei der Stickstoff sich im Flüssigzustand befindet, zu unterhalten. Die Thermographie ist mit dem weiteren Nachteil verbunden, daß kleine Gewebsschädigungen in starkem lebendem Gewebe, z. B. der mensch lichen Brust, damit nicht nachweisbar und lokalisierbar sind. In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß derart kleine Objekte nicht genügend Infrarotstrahlung abgeben, um die Infrarotfühlereinheit eines solchen Geräts in die Lage zu versetzen, eine durch derartige kleine Objekte hervorgerufene merkliche Änderung der Gewebetemperatur zu erfassen.Do not rely solely on thermography to determine breast tissue damage but in addition it is usually the mammography used. One reason for using X-ray technology and thermography together to record Breast tissue damage is the problem of making a thermographic machine sufficiently stable for quantitative and to keep reproducible measurements. The one for converting the infrared radiation energy into a display required high amplification factor makes the system very vulnerable and sensitive to system deviations. A slight deviation in sensitivity of the detector results in a change in the intensity of the display in relation to the temperature of the surface being scanned. Quite apart from this problem, a coolant such as liquid nitrogen must also be used to reduce the Maintain the temperature of the radiant energy detector within usable temperature ranges. Hence are considerable amounts of energy are required to maintain a temperature of -198 C, at which nitrogen is in the liquid state. Thermography is associated with the further disadvantage that small tissue damage in strong living tissue, e.g. B. the human lichen breast so that they cannot be detected or localized. In this connection it should be noted that such small objects do not have enough infrared radiation output to the infrared sensor unit of such a To enable the device to detect a noticeable change in the Detect tissue temperature.
Die Anwendung von Ultraschallmethoden ist durch die Dämpfung und die Wechselwirkung des untersuchten Gewebes mit den Ultraschallwellen begrenzt. Außerdem ergeben sich in Verbindung mit Ultraschall bestimmte biologische Ge-The application of ultrasound methods is due to the damping and interaction of the examined tissue limited with the ultrasonic waves. In addition, certain biological genes arise in connection with ultrasound.
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fahren, ζ. B. eine Aggregation vonBlutplättchen, die bei Energiepegeln auftritt, die niedriger als wärmebedingte Verletzungen hervorrufende Energiepegel sind.drive, ζ. B. an aggregation of platelets that occurs at energy levels that are lower than thermal injury-inducing energy levels.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung und eines Verfahrens für die nichtaggressive Untersuchung von lebendem menschlichem Gewebe, wobei die mit der Verwendung von Röntgenstrahlen und Ultraschall verbundenen Gefahren beseitigt und die mit thermographischen Diagnoseverfahren verbundenen Probleme überwunden werden.The object of the invention is to create a device and a method for non-aggressive testing of living human tissue, those associated with the use of X-rays and ultrasound Hazards are eliminated and the problems associated with thermographic diagnostic procedures overcome.
Die Erfindung richtet sich auf die quantitative Erfassung der Übertragung und Reflexion von sichtbarem und Infrarotlicht, wobei Licht mit unterschiedlichen ausgewählten Wellenlängen durch zu untersuchendes Gewebe gerichtet und die Stärke des übertragenen oder reflektierten Lichts relativ zu der Stärke des ausgesandten Lichts erfaßt wird, wodurch eine Messung des Brechungsindex, der Absorption und der Streuung des Gewebes ermöglicht wird. Die Erfindung nützt die Tatsache aus, daß unterschiedliche Gewebearten wie Fett, Muskel und Tumor in bezug auf ihre Absorptions-, Brechungs- und Streucharakteristika relativ zu sichtbarem und Infrarotlicht stark voneinander abweichen. Der zwischen verschiedenen Geweben bestehende Kontrast kann durch Auswahl der für die Messung verwendeten Wellenlängen verstärkt werden. Information bezüglich der Gewebeart und des Stoffwechselzustands kann dadurch erhalten werden, daß die bei verschiedenen Wellenlängen übertragene oder reflektierte Lichtmenge erfaßt wird und diese Werte mit Normen verglichen werden, die vorher durch direkte Messung in menschlichen Patienten aufgestellt wurden, bei denen anschließend eine Biopsie-Dokumentation der untersuchten Gewebeart erstellt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Einrichtung nach der ErfindungThe invention is directed to the quantitative detection of the transmission and reflection of visible and infrared light, whereby light with different selected wavelengths is directed through tissue to be examined and the strength of the transmitted or reflected light relative to the strength of the emitted light is detected, thereby providing a measurement of the refractive index, the absorption and the scattering of the tissue is allowed. The invention takes advantage of the fact that different types of tissue such as fat, muscle and tumor in terms of their absorption, refraction and scattering characteristics are relative to visible and infrared light differ greatly from each other. The contrast existing between different tissues can be determined by selecting the one used for the measurement Wavelengths are amplified. Information regarding the tissue type and the metabolic state can thereby be obtained that the amount of light transmitted or reflected at different wavelengths is detected and these values are compared with norms previously established by direct measurement in human patients in which a biopsy documentation of the examined tissue type is then created. According to a Embodiment of the device according to the invention
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wird eine Detektoranordnung eingesetzt, um eine differentielle Aufzeichnung des Photonenflusses in dem zentralen Bereich zu erstellen, der dem Abschnitt des Detektors entspricht, der von dem Lichtstrahl maximal beleuchtet wird, wenn kein Gewebe dazwischen angeordnet ist, das als streuendes Medium wirkt; außerdem werden dabei einer oder mehrere konzentrische Ringe aktiver Detektorfläche verwendet, die Lichtempfangen, das in unterschiedlichem Maß von dem zentralen Detektor weg gestreut wurde. Diese Anordnung ermöglicht eine gesonderte Aufzeichnung zentraler und Randzonen, so daß zusätzliche Information bezüglich der Streustärke sowie des Ausmaßes der Brechung und Absorption bei dieser bestimmten Wellenlänge erhalten wird. Information von jedem dieser konzentrischen Detektoren wird gesondert aufgezeichnet und steht für weitere Verarbeitung, z. B. für die Erstellung von Verhältniswerten, zur Verfügung. In seiner einfachsten Form umfaßt dieses Ausführungsbeispiel einen zentralen Detektor mit den Dimensionen des ungestreuten Strahls und einen oder mehrere konzentrische Umfangsdetektoren. Ein alternatives Ausführungsbeispiel ist eine elektronische Detektoranordnung aus einer Vielzahl Elemente, so daß ein Gewebe-Streuung-Signaturverzeichnis erstellt werden kmn, das für die Durchleuchtung von Wasser, Blut, Fett, Muskel, Brustkrebs, Haut, Kalziumflecke und andere einfache und komplexe Durchleuchtungselemente spezifisch ist. Solche komplexen Gewebe-Signaturen können in einem digitalen oder analogen Speicher gespeichert und mit neu empfangenen Signalen verglichen werden. Änderungen der Streuverhältnisse können als Signal in Abbildungs- und nichtabbildenden Systemen verwendet werden.a detector arrangement is used to make a differential recording of the photon flux in the central Create area that corresponds to the portion of the detector that is maximally illuminated by the light beam when there is no interposed tissue to act as a scattering medium; also become one or several concentric rings of active detector area used to receive light in different ways Degree was scattered away from the central detector. This arrangement enables separate recording central and edge zones, so that additional information regarding the scattering strength and the extent of the refraction and absorption is obtained at that particular wavelength. Information from each of these concentric detectors is recorded separately and is available for further processing, e.g. B. for the creation of ratio values, to disposal. In its simplest form, this embodiment includes a central detector with the dimensions of the unscattered beam and one or more concentric circumferential detectors. A alternative embodiment is an electronic one Detector arrangement made up of a plurality of elements, so that a tissue-scattering signature directory is created kmn that for fluoroscopy of water, blood, fat, muscle, breast cancer, skin, calcium stains and other easy and complex fluoroscopic elements is specific. Such complex tissue signatures can be in a digital or analog memory and compared with newly received signals. Changes to the Scatter ratios can be used as a signal in imaging and non-imaging systems.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Abtastung der quantitativen Übertragung oder Reflexion von sichtbarem oder Infrarotlicht zum Erzeugen einer SchattenAccording to a further feature of the invention, the sampling of the quantitative transmission or reflection of visible or infrared light to create a shadow
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anzeige-Abbildung eingesetzt. Dabei wird das vorher erläuterte quantitative Übertragungs- oder Reflexionssystem sequentiell über das untersuchte Gewebe geführt, um punktweise eine Abbildung zu erzeugen. Vorteilhafterweise erfolgt die Abtastung mit herkömmlichen Streifenverfahren unter Einsatz einer Belichtungseinheit, die mechanisch mit der Lichtquelle und einer Detektoreinheit gekuppelt ist. Alternativ kann eine photographische Aufzeichnung erhalten werden, indem die XY-Position des Abtastarms elektronisch mit der XY-Lage des Elektronenstrahls einer Kathodenstrahlröhre gekoppelt wird, in Verbindung mit einer Zeitaufnahme des photographischen Films. Bei einer solchen elektronischen Ausführungsform wird die XY-Lage des Strahls durch die XY-Lage des Abtastkopfs bestimmt, und die Stärke des Elektronenstrahlstroms ist der vom Detektorkopf erfaßten Anzahl Photonen proportional.display illustration inserted. The previously explained quantitative transmission or reflection system is sequentially guided over the examined tissue, to create an image point by point. Advantageously the scanning is carried out with conventional strip processes using an exposure unit that is mechanically coupled to the light source and a detector unit. Alternatively, a photographic Record can be obtained by matching the XY position of the scanning arm electronically with the XY position of the electron beam a cathode ray tube, in connection with a time recording of the photographic Films. In such an electronic embodiment the XY position of the beam is determined by the XY position of the scanning head, and the strength of the electron beam current is proportional to the number of photons detected by the detector head.
In weiterer Ausbildung der Erfindung erfolgt die quantitative Übertragung und Reflexion von sichtbarem und Infrarotlicht bei bestimmten Wellenlängen, um den Unterschied zwischen verschiedenen Gewebsarten hervorzuheben, in Verbindung mit einem Digitalspeicher oder einer Bildspeicherröhre, so daß eine Abbildungsvervielfachung, -division, -addition oder -subtraktion in digitaler Form mit einem Digitalspeicher oder in analoger Form auf einer Bildspeicherröhre durchgeführt werden kann. Die von verschiedenen Wellenlängen getragenen Einzelabbildungen können in einem multispektralen Abbildungsverfahren zur Anzeige gebracht werden, wobei die Anzeige in einer Grauskala-Betriebsart oder als Farbanzeige erfolgen kann, wobei Abbildungsinformation mit einer bestimmten Wellenlänge einer bestimmten Farbröhre in einer Dreistrahl-Farbvideoanzeige zugeordnet wird. Durch multispektraleIn a further embodiment of the invention, the quantitative transmission and reflection of visible and Infrared light at certain wavelengths to make the difference to highlight between different types of tissue, in connection with a digital memory or an image storage tube, so that an image multiplication, division, addition or subtraction in digital form can be carried out with a digital memory or in analog form on an image storage tube. the Individual images carried by different wavelengths can be brought to the display in a multispectral imaging process, the display in a Grayscale mode or as a color display can be done, with imaging information with a certain wavelength associated with a particular color tube in a three-beam color video display. Through multispectral
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Verarbeitung kann der Unterschied zwischen verschiedenen Geweben oder verschiedenen Gewebebestandteilen oder physiologische Information wie etwa der Oxidationszustand verschiedener Gewebeabschnitte gezeigt und aufgezeichnet werden.Processing can mean the difference between different fabrics or different fabric components or physiological information such as the oxidation state of various tissue sections is shown and recorded will.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird eine computergestützte Rekonstruktion eingesetzt, die auf einer Vielzahl Abbildungen basiert, deren jede von einer anderen Punktlichtquelle bei verschiedener Lichtdurchlässigkeit oder Reflexion erzeugt wurde. Das computergestützte Rekonstruktions- und Verarbeitungsverfahren ist analog dem Verfahren, das in computergestützten Axialtomographie systemen der Art, wie sie heute mit Röntgenstrahlen eingesetzt werden, Anwendung findet. Das untersuchte Gewebe wird von einer Vielzahl Punkten aus beleuchtet, indem Licht oder eine Anordnung von geschalteten Lichtquellen bewegt werden. Das durch die Beleuchtung von jedem Punkt aus gebildete Abbildungsmuster wird von einem geeignen ten Detektor system, ζ. B. dem Infrarot-Vidikon nach Hammamatsu, erfaßt und vor der Speicherung in einem elektronischen Speicher hinsichtlich einer Korrektur auf Feldgleichförmigkeit bearbeitet. Die Abbildungsmuster worden in Verbindung mit den XY-Koordinaten des ursprünglichen Durchleuchtungs-Lichtpunkts gespeichert. Diese Abbildungsmuster werden verarbeitet, indem sie mathematisch rückwärtsprojiziert werden, so daß ein tomographischer Satz von Abbildungen erhalten wird. Ein Vorteil dieses Systems besteht darin, daß die räumliche Beziehung von Objekten in der Tiefe feststellbar ist, und daß die Auflösung viel größer ist und sich ein höherer Photonen-Wirkungsgrad einstellt als bei der Streifenabtastung.In a further embodiment of the invention, a computer-aided reconstruction is used, which is based on a large number Images are based, each of which is from a different point light source at different light transmittance or reflection was generated. The computer-aided reconstruction and processing method is analog the process used in computer-aided axial tomography systems of the type used today with X-rays will apply. The examined tissue is illuminated from a large number of points by Light or an arrangement of switched light sources can be moved. That by lighting from every point The image pattern formed is then detected by a suitable detector system, ζ. B. after the infrared vidicon Hammamatsu, collected and for correction prior to being stored in electronic memory machined for field uniformity. The mapping patterns have been linked to the XY coordinates of the original Fluoroscopic light point saved. These mapping patterns are processed by mathematically backprojected so that a tomographic set of images is obtained. A The advantage of this system is that the spatial relationship of objects can be determined in depth, and that the resolution is much greater and a higher photon efficiency is established than with the Strip scanning.
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Die Einrichtung nach der Erfindung umfaßt in ihrer einfachen Ausführungsform eine Lichtquelle, eine Lichterfassungseinheit und eine Signalanzeigeeinheit. In einer komplexeren Ausführungsform umfaßt die Einrichtung eine Lichtquelle, eine Wellenlängen-Wähleinheit, Lichtübertragungsmittel, eine optische Ausrichteinheit, eine Lichtsammeieinheit, eine Lichterfassungseinheit, Signalverstärkungsmittel, Signalvergleichsmittel und eine Signalanzeige. Die Bezeichnung "Licht" bedeutet im Rahmen der Erfindung nichtionisierendes sichtbares und Infrarotlicht mit einer Wellenlänge im Bereich von ca. 400 bis ca. 700 nm bzw. 700 bis ca. 10 nm. Der bevorzugte Wellenlängenbereich beträgt ca. 600 nm im sichtbaren Bereich bis ca. 1400 nm im Infrarotbereich.In its simple embodiment, the device according to the invention comprises a light source, a light detection unit and a signal display unit. In a more complex embodiment, the device comprises a light source, a wavelength selection unit, light transmission means, an optical alignment unit, a light collection unit, a light detection unit, Signal amplification means, signal comparison means and a signal display. The term "light" means im Within the scope of the invention, non-ionizing visible and infrared light with a wavelength in the range of approx. 400 to about 700 nm and 700 to about 10 nm, respectively. The preferred The wavelength range is approx. 600 nm in the visible range to approx. 1400 nm in the infrared range.
Die bei der Erfindung verwendeten Lichtquellen sind eine Quarzhalogenwolframfaden-Projektorlampe, eine Xenonlampe, eine Xenonquecksilberlampe, Leuchtdioden, abstimmbare Laser oder Normallicht. Die verwendete Wellenlängen-Wähleinheit umfaßt vorteilhafterweise optische Dünnschicht-Breitband- oder -Schmalbandfilter mit Peaks zwischen ca. 450 und ca. 1350 nm in Abständen von jeweils 50 nm. Einer oder mehrere Monochromatoren können ebenfalls vorteilhaft verwendet werden. Die Lichtzuführ- oder -übertragungsmittel sind biegsame faseroptische Bündel, starre Lichtleiter oder -rohre, die die interessierenden Wellenlängen übertragen können. Die Detektoreinheit umfaßt Silizium- oder Germaniumphotodioden, Photovervielfacherröhren, Vidikone u. dgl.The light sources used in the invention are a quartz halogen tungsten filament projector lamp, a xenon lamp, a xenon mercury lamp, light emitting diodes, tunable lasers or normal light. The wavelength selector used advantageously comprises thin film broadband or narrow band optical filters with peaks between approx. 450 and approx. 1350 nm at intervals of 50 nm each. One or more monochromators can also be used to advantage. The light delivery or transmission means are flexible fiber optic bundles, rigid light guides or tubes that are the ones of interest Can transmit wavelengths. The detector unit comprises silicon or germanium photodiodes, photomultiplier tubes, Vidikone and the like
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Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail, for example, with the aid of the drawing. Show it:
Fig. 1 eine Darstellung der Lichtfortpflanzung durch relativ homogenes menschliches Gewebe, wobei der Effekt der Wechselwirkung des Lichts mit einem festen Absorptionskörper im Gewebe veranschaulicht wird und die gezeigten Wellenformen Linien gleicher Leuchtdichte sind;1 shows the propagation of light through relatively homogeneous human tissue, the effect of the interaction of light is illustrated with a solid absorption body in the tissue and the waveforms shown are lines of equal luminance;
Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Ansicht, wobeiFIG. 2 is a view similar to FIG. 1, wherein
der feste Absorptionskörper in einem größeren Abstand vom Lichteintrittspunkt liegt;the solid absorption body lies at a greater distance from the light entry point;
Fig. 3 eine Ansicht von oben bzw. eine Seitenan-Fig. 3 is a view from above or a side view
und 4- sieht, wobei Licht an zwei verschiedenen Stellen eintritt zur Erzeugpng von Linien gleicher Leuchtdichte, die in Fig. 3 als Schattenmuster projiziert werden;and 4- sees, with light on two different ones Places occur for the production of lines of the same luminance, which in Fig. 3 as Shadow patterns are projected;
Fig. 5 eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung nach der Erfindung; Fig. 5 is a perspective view of an embodiment of the device according to the invention;
Fig. 6 eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels eines Streifenabtastkopfs für die Durchführung der Erfindung;Fig. 6 is a partially broken away perspective view of an embodiment of a Strip scanning head for implementation the invention;
Fig. 7 eine teilweise geschnittene Explosionsansicht einer Lichtzuführeinheit für die Abstützung einer menschlichen Brust und Lichtübertragung durch diese;Fig. 7 is an exploded view, partly in section, of a light supply unit for the Supporting and transmitting light through a human breast;
Fig. 8A eine Seitenansicht bzw. eine Ansicht von und 8B oben auf ein Ausführungsbeispiel einer8A shows a side view or a view of and 8B at the top of an exemplary embodiment of a
Einrichtung mit einem Streifenabtastkopf nach Fig. 6 in Verbindung mit einer Kathodenstrahlröhre, aufgebaut für die Untersuchung der menschlichen Brust; undDevice with a strip scanning head according to Fig. 6 in connection with a Cathode ray tubes designed for human breast examinations; and
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- Zur - '- To - '
Fig. 9A eine Seitenansicht bzw. eine Ansicht von oben und 9B der Lichtzuführeinheit nach Fig. 7, dieFIG. 9A is a side view and a top view, respectively, and FIG. 9B of the light delivery unit of FIG. 7, the
in Verbindung mit einem computerunterstützten Axialtomographiegerät zur Untersuchung der menschlichen Brust eingesetzt wird.in connection with a computer-aided axial tomography device for examining the human breast is used.
Es sei zuerst erwähnt, daß bereits gezeigt wurde, daß biologische Materialien eine vergleichsweise gute Lichtdurchlässigkeit im Infrarotbereich des Spektrums aufweisen, so daß eine ausreichende Photonenübertragung durch untersuchtes menschliches Gewebe möglich ist, um auch in sehr dicken Bereichen Meßwerte zu erhalten. Frans F. Oöbsis schreibt in einem Bericht mit dem Titel "Noninvasive, Infrared Monitoring of Cerebral and Myocardial Oxygen Sufficiency and Circulatory Parameters", veröffentlicht in Science, 23. Dez. 1977, Bd. 198, S. 1264-1267: "The relatively good transparency of biological materials in the near infrared region of the spectrum permits sufficient photon transmission through organs examined for the monitoring of intracellular events." (Die relativ gute Lichtdurchlässigkeit von biologischen Materialien im nahen Infrarotbereich des Spektrums erlaubt eine ausreichende Photonübertragung durch Organe, die im Hinblick auf intrazelluläre Vorkommnisse untersucht werden.) Der 3öbsis-Bericht betraf die Überwachung der Sauerstoffsuffizienz von Gewebe. Durch Anwendung starker Lichtquellen und einer Photoelektronen-Vervielfacherröhre konnte 3öbsis Infrarotlicht nachweisen, das 13 cm des menschlichen Gehirns durch den Schädel und die Kopfhaut eingedrungen war.It should first be mentioned that it has already been shown that biological materials have a comparatively good light transmission in the infrared region of the spectrum, so that sufficient photon transmission through examined human tissue is possible to obtain measured values even in very thick areas. Frans F. Oöbsis writes in a report entitled "Noninvasive, Infrared Monitoring of Cerebral and Myocardial Oxygen Sufficiency and Circulatory Parameters, "published in Science, Dec. 23, 1977, Vol. 198, pp. 1264-1267: "The relatively good transparency of biological materials in the near infrared region of the spectrum permits sufficient photon transmission through organs examined for the monitoring of intracellular events. "(The relatively good light transmission of biological materials in the near infrared region of the spectrum allows sufficient photon transmission through organs in terms of examined for intracellular occurrences.) The 3öbsis report concerned monitoring of oxygen insufficiency of tissue. By using strong light sources and a photoelectron multiplier tube could detect 3öbsis infrared light that 13 cm of the human brain had penetrated through the skull and scalp.
Fig. 1 zeigt die Fortpflanzung von sichtbarem Rot- oder Infrarotlicht durch relativ homogenes Gewebe, das stark lichtstreuend ist und ein lichtabsorbierendes Objekt enthält, mit Hilfe von Wellenformen, die als Linien gleicherFig. 1 shows the propagation of visible red or Infrared light through relatively homogeneous tissue that is highly light-scattering and contains a light-absorbing object, using waveforms that are equal as lines
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Leuchtdichte bzw. Isoluminanzlinien bezeichnet werden sollen. Licht tritt in das Gewebe 10 bei 12 als schmaler kollimierter monochromatischer Strahl ein. Die Isoluminanzlinie 14a definiert die Umrisse gleicher Leuchtstärke, die durch den Lichteintritt am Punkt 12 erzeugt wurden. Die Isoluminanzlinien 14b und 14c bezeichnen Isoluminanzkonturen in zunehmenden Abständen von dem ursprünglichen Lichteintritt am Punkt 12. Die Isoluminanzlinie 14c bezeichnet die Helligkeitsverteilung nach Wechselwirkung mit einem lichtabsorbierenden Objekt 16, Die Isoluminanzlinie 14e bezeichnet den allmählichen Auffüllvorgang des durch das lichtabsorbierende Objekt geworfenen Schattens infolge der starken Streuung im Gewebe 10. Die Isoluminanzlinie 14f , die einen beträchtlichen Abstand von dem Lichteintrittspunkt 12 und dem lichtabsorbierenden Objekt 16 hat, weist in der Kontur gleicher Leuchtstärke eine flache Vertiefung 18 infolge der Lichtabsorption durch das Objekt 16 auf. Die Mitte der Vertiefung 18a entsteht durch Absorption in dem lichtabsorbierenden Objekt 16 und bezeichnet ein Helligkeitsminimum, während der Rand 18b der Vertiefung ein Helligkeitsmaximum bezeichnet. Mit einem Detektor, z. B. einer Silizium-Photodiode oder einer Silizium-Photodiodenanordnung (nicht gezeigt), der auf der dem Lichteintrittspui.kt 12 entgegengesetzten Seite des Gewebes 10 angeordnet ist und über der Vertiefung 18 in der Isoluminanzlinie 14f liegt, kann die Lichtdurchlässigkeit durch das Gewebe 10, beeinflußt durch das lichtabsorbierende Objekt 16, gemessen werden. Ein Detektor mit ausreichender Größe, so daß er eine gesonderte empfindliche Fläche aufweist, die die Bereiche 18a und 18b der Vertiefung 18 überdeckt, würde ein bedeutungsvolles Verhältnis zwischen der Leuchtstärke bei 18a und 18b erzeugen, um eine Erfassung des Objekts 16 zu ermöglichen.Luminance or isoluminance lines are designated should. Light enters the tissue 10 at 12 as a narrow collimated monochromatic beam. The isoluminance line 14a defines the outlines of the same luminosity, generated by the entry of light at point 12. The isoluminance lines denote 14b and 14c Isoluminance contours at increasing distances from the original light entry at point 12. The isoluminance line 14c denotes the brightness distribution after interaction with a light-absorbing object 16, The isoluminance line 14e indicates the gradual filling process of the light absorbing object cast shadow as a result of the strong scattering in the tissue 10. The isoluminance line 14f, which has a considerable Distance from the light entry point 12 and the light absorbing Object 16 has, in the contour of the same luminosity, has a shallow depression 18 as a result of the Light absorption by the object 16 on. The center of the recess 18a is created by absorption in the light-absorbing Object 16 and denotes a brightness minimum, while the edge 18b of the depression a brightness maximum designated. With a detector, e.g. B. a silicon photodiode or a silicon photodiode array (not shown), which is on the Lichteintrittspui.kt 12 opposite side of the tissue 10 is arranged and above the recess 18 in the isoluminanzlinie 14f, the light transmittance through the fabric 10 can be influenced by the light-absorbing object 16, to be measured. A detector of sufficient size to have a separate sensitive area which covers the areas 18a and 18b of the recess 18, a meaningful relationship between the luminosity would be at 18a and 18b to enable detection of the object 16.
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Fig. 2 ist der Fig. ähnlich, wobei jedoch der Lichteintrittspunkt 20 in einem größeren Abstand von dem lichtabsorbierenden Objekt 22 liegt. Wie im vorhergehenden Fall erzeugt der Lichteintritt eine Serie von Isoluminanzlinien 24a, 24b, 24c, 24d, 24e und 24f, bevor er mit dem lichtabsorbierenden Objekt 22 in Wechselwirkung tritt. Die Linie 24g bezeichnet die Lichtstärkeverteilung nach der Wechselwirkung mit dem lichtabsorbierenden Objekt 22. Da das lichtabsorbierende Objekt nahe an der Oberfläche des Gewebes 10 liegt, ist die Vertiefung 26 in der Isoluminanzlinie 24h gegenüber der Situation von Fig. 1, bei der das Objekt 16 und die Oberfläche des Gewebes 10 weiter voneinander beabstandet waren, sehr groß. In Fig. 2 besteht ein größerer Unterschied zwischen dem Lichtpegel am Rand 26b der Vertiefung 26 und der Mitte 26a derselben. Die Erfassung des Objekts 22 kann in der in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Weise erfolgen.Fig. 2 is similar to the figure, but with the light entry point 20 at a greater distance from the light-absorbing object 22 is located. As in the previous case, the light entry creates a series of Isoluminance lines 24a, 24b, 24c, 24d, 24e and 24f before it interacts with the light-absorbing object 22. The line 24g denotes the light intensity distribution after interacting with the light-absorbing object 22. Since the light-absorbing object is close to the surface of the tissue 10, the recess 26 is opposite in the isoluminance line 24h the situation of Fig. 1 in which the object 16 and the surface of the tissue 10 are further spaced from one another were very big. In Fig. 2 there is a greater difference between the light level at the edge 26b of the recess 26 and the middle 26a of the same. The detection of the object 22 can be explained in connection with FIG. 1 Way.
Die Fig. 3 und 4 sind eine Seitenansicht bzw* eine Ansicht von oben von Isoluminanzlinien, die in einem Abschnitt von stark lichtstreuendem Gewebe 30 mit zwei verschiedenen lichtabsorbierenden Objekten 32 und 34 erzeugt werden, wenn Licht an zwei Punkten 36 und 38 eingeleitet wird. Die vom Punkt 36 ausgehenden Isoluminanzlinien sind in Strichlinienform gezeigt, und die vom Punkt 38 ausgehenden Isoluminanzlinien sind als Vollinien gezeigt. Die vom Punkt 36 ausgehenden.. Linien 36a, 36b und 36c bilden, wie vorher, eine Vertiefung 40, die wie angegeben bei 32a in Fig. 3 erfaßbar ist. Die Isoluminanzlinien 36a, 36b und 36c breiten sich jedoch auch seitlich in Richtung des Objekts 34 aus und bilden eine Vertiefung 42, die als Schatten des Objekts 34 erfaßbar ist (vgl. 34' in Fig. 3). Ebenso.bilden die vom Punkt 38 ausgehenden Isoluminanz-Figures 3 and 4 are a side view and a view, respectively from above of isoluminanzlinien, which in a section of highly light-scattering tissue 30 with two various light-absorbing objects 32 and 34 when light is introduced at two points 36 and 38. The isoluminance lines emanating from point 36 are shown in dashed lines and are isoluminance lines emanating from point 38 shown as solid lines. The lines 36a, 36b and 36c proceeding from point 36 form, as before, a depression 40, which can be detected as indicated at 32a in FIG. The isoluminance lines 36a, 36b and 36c However, they also spread laterally in the direction of the object 34 and form a recess 42, which as Shadow of the object 34 can be detected (see 34 'in Fig. 3). Likewise, the isoluminance values emanating from point 38
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linien 38a, 38b, 38c, 38d und 38e eine erfaßbare Vertiefung 44 infolge der Lichtabsorption durch das Objekt 34·. Der so erzeugte Schatten 34a ist entsprechend Fig. erfaßbar. Wie im Fall der vom Punkt 36 ausgehenden Isoluminanzlinien werden auch die Isoluminanzlinien 38a, 38b, 38c, 38d und 38e, die vom Punkt 38 ausgehen, von dem Objekt 32 abgefangen und absorbiert, so daß eine Vertiefung 46 entsteht, die als Schatten 32' (vgl. Fig. 3) erfaßbar ist. Damit ist es möglich, nicht nur das Vorhandensein von zwei Objekten 32 und 34 im Gewebe 30 zu erfassen, sondern auch durch Rückwärtsprojektion die Bereiche im Gewebe 30, in denen sie liegen, genau zu bestimmen .lines 38a, 38b, 38c, 38d and 38e form a detectable depression 44 due to the absorption of light by the object 34 ·. The shadow 34a generated in this way is shown in accordance with FIG. detectable. As in the case of the isoluminance lines emanating from point 36 are also the isoluminance lines 38a, 38b, 38c, 38d and 38e, which start from point 38, from the object 32 intercepted and absorbed, so that a depression 46 is formed, which is a shadow 32 '(see. Fig. 3) is detectable. It is thus possible not only to admit the presence of two objects 32 and 34 in the tissue 30 capture, but also to determine precisely the areas in the tissue 30 in which they are located by backward projection .
Die Einrichtung entsprechend Fig. 5 umfaßt eine Lichtquellen- und Wellenlängenwähl-Einheit 50, die durch ein flexibles Lichtleiterkabel bzw. einen Lichtleiter mit einer Lichtmeßfühlereinheit 54 verbunden ist, die ihrerseits über ein Kabel 56 mit einer digitalen Lichtr meßfühler-Anzeigeeinheit 58 verbunden ist. Die Lichtquellen- und Wellenlängenwähl-Einheit 50 umfaßt ein Gehäuse 50a, in dem eine Infrarotlichtquelle, z. B. eine Quarz-Halogen-Wolfram-Lampe (nicht gezeigt) positoniert ijt. Am Gehäuse 50a ist ein Einstellknopf 50c zum Einstellen der Intensität des von der Lampe abgegebenen Strahls vorgesehen. Eine Filterscheibe .60 ist drehbar mittels einer Welle 50b am Gehäuse 50a befestigt. Vorteilhafterweise umfaßt die Filterscheibe 60 eine Mehrzahl von konzentrisch angeordneten Breitband-Dünns'chicht-Interferenzfiltern 60a, deren jedes zweckmäßigerweise einen anderen Peak hat, und zwar von 450 nm bis 1350 nm in Abständen von jeweils 50 nm, Schmalbandfilter können eingesetzt werden, um weiter zwischen Vorgängen zu unterscheiden, die von der Einrichtung erfaßt wurden. Die Eintrittsfläche 52a des faseroptischen Lichtleiters 52The device according to Fig. 5 comprises a light source and Wellenlängenwähl unit 50 which is connected by a flexible optical fiber cable or a light guide having a Lichtmeßfühlereinheit 54 r in turn via a cable 56 with a digital light sensor display unit 58 is connected. The light source and wavelength selection unit 50 comprises a housing 50a in which an infrared light source, e.g. B. a quartz-halogen-tungsten lamp (not shown) is positioned ijt. An adjusting knob 50c for adjusting the intensity of the beam emitted by the lamp is provided on the housing 50a. A filter disc .60 is rotatably attached to the housing 50a by means of a shaft 50b. The filter disk 60 advantageously comprises a plurality of concentrically arranged broadband thin-layer interference filters 60a, each of which expediently has a different peak, namely from 450 nm to 1350 nm at intervals of 50 nm each. Narrow band filters can be used to further between To distinguish between activities recorded by the institution. The entrance surface 52a of the fiber optic light guide 52
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wird in ihrer Lage in bezug auf die Lampe und ein ausgewähltes Filter 60a mittels einer Zwinge 62 gehalten, die mit einem an der Unterseite des Gehäuses 50a befestigten Ständer 64 verbunden ist.is held in position with respect to the lamp and a selected filter 60a by means of a ferrule 62, which is connected to a stand 64 attached to the underside of the housing 50a.
Die Lichtmeßfühler-Einheit 54 umfaßt einen kurzen, ortsfesten Endständer 54a und einen langen, ortsfesten Endständer 54b, die in unveränderlichem Abstand voneinander durch zwei Stangen 54c mit glatten Oberflächen und eine Stange 54d mit Außengewinde, die einen Stellknopf 54j aufweist, gehalten sind. Zwischen den Endständern 54a und 54b ist ein beweglicher Ständer 54e angeordnet und durch Drehen des Stellknopfs 54j längs den Stangen 54c und 54d in beiden Richtungen verstellbar. Ein mit einer geeigneten Teilung versehenes Meßorgan 54f ist mit seinen Enden an den ortsfesten Endständern 54a und 54b befestigt Ein Anzeigeorgan 54g ist an dem beweglichen Ständer 54e befestigt und längs den Teilstrichen auf dem Meßorgan 54f verschiebbar, wenn der Ständer 54e bewegt wird. Das Austrittsende des faseroptischen Lichtleiters 52 verläuft durch eine Bohrung im Außenende des beweglichen Ständers 54e und ist in einer Scheibe 66 gesichert. Eine Stellschraube 68 hält das Austrittsende des Lichtleiters 52 in seiner Lage relativ zum Ständer 54e. Der lange ortsfeste Endständer 54b weist einen verstellbaren Kopf 54h auf, der einen Lichtfühler in Form eines Festkörper-Lichtdetektors 70 vom Siliziumphotodioden-Typ trägt. Der Kopf 54h weist eine gerändelte Stellschraube 54i auf, so daß der Lichtdetektor 70 mit dem Austrittsende des faseroptischen Lichtleiters 52 ausgerichtet werden kann. Das Eingabekabel 56 verbindet den Lichtdetektor 70 mit der digitalen Lichtmeßfühler-Anzeigeeinheit 58. Die Einheit 58 weist Wähltasten 58a auf, so daß die Anzeigefaktoren bestimmbar sind, die durch ein über einer Flüssigkristallanzeige 58b angeordnetes Fenster sichtbar sind.The light sensor unit 54 comprises a short, stationary end stand 54a and a long, stationary end stand 54b, which are held at a fixed distance from one another by two rods 54c with smooth surfaces and a rod 54d with an external thread which has an adjusting knob 54j. A movable stand 54e is arranged between the end stands 54a and 54b and can be adjusted in both directions by turning the adjusting knob 54j along the rods 54c and 54d. A measuring element 54f provided with a suitable pitch is attached at its ends to the stationary end stands 54a and 54b. An indicator element 54g is attached to the movable stand 54e and is displaceable along the graduation marks on the measuring element 54f when the stand 54e is moved. The exit end of the fiber optic light guide 52 runs through a bore in the outer end of the movable stand 54e and is secured in a disk 66. A set screw 68 holds the exit end of the light guide 52 in position relative to the stand 54e. The long stationary end stand 54b has an adjustable head 54h which carries a light sensor in the form of a solid-state light detector 70 of the silicon photodiode type. The head 54h has a knurled set screw 54i so that the light detector 70 can be aligned with the exit end of the fiber optic light guide 52. The input cable 56 connects the light detector 70 to the digital light sensor display unit 58. The unit 58 has selection keys 58a so that the display factors can be determined which are visible through a window arranged above a liquid crystal display 58b.
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Bei der Anwendung der Einrichtung nach Fig. 5 wird eine menschliche Brust, die einen fühlbaren Knoten aufweist, zwischen der Scheibe 66 und dem Lichtdetektor 70 leicht zusammengedrückt. Das Meßorgan 54-f zeigt den genauen Abstand zwischen der Austrittsfläche des Lichtleiters 52 und dem Lichtdetektor 70 und damit die Dicke des von dem Licht, das von der im Gehäuse 50a befindlichen Lichtquelle ausgeht, zu durchdringenden Gewebes. Anzeigen werden an der Anzeigeeinheit 58 dadurch erhalten, daß Licht mit verschiedenen Wellenlängen von der Lichtquelle durch den Knoten in der Brust geschickt wird. Unter Anwendung derselben Wellenlängen wird dann Licht von der Lichtquelle durch einen oder mehrere Bereiche der Brust, die von dem Knoten entfernt liegen, gerichtet. Da der Grad der Streuung und Absorption des Lichts bei bestimmten Wellenlängen durch einen krebsartigen Körper weit stärker als derjenige von gutartigen Körpern und gesundem, fetthaltigem Gewebe ist, kann die Art des fühlbaren Knotens in einfacher Weise aus der in der Anzeigeeinheit 58 angezeigten Information festgestellt werden.When using the device according to FIG. 5, a human breast which has a palpable lump is slightly compressed between the disk 66 and the light detector 70. The measuring element 54-f shows the exact distance between the exit surface of the light guide 52 and the light detector 70 and thus the thickness of the tissue to be penetrated by the light emanating from the light source located in the housing 50a. Indications are obtained on the display unit 58 by sending different wavelengths of light from the light source through the lump in the breast. Using the same wavelengths, light from the light source is then directed through one or more areas of the breast remote from the lump. Since the degree of scattering and absorption of light at certain wavelengths by a cancerous body is far greater than that of benign bodies and healthy, fatty tissue, the type of tangible lump can be easily determined from the information displayed in the display unit 58.
Das Ausführungsbeispiel des Streifenabtastkopfs 80 nach F.g. 6 umfaßt einen unteren ortsfesten Teil 80a und einen oberen beweglichen Teil 80b, der in bezug auf den Teil 80a vertikal verstellbar ist. Die Teile 80a und 80b definieren an ihrem einen Ende zwei parallele Platten 82 und 84, zwischen denen eine zu untersuchende menschliche Brust leicht zusammengedrückt wird. Der untere Teil 80a des Abtastkopfs 80 weist ein Gehäuse 80c auf, in dem eine Infrarotlichtquelle, z. B. eine Quarzhalogenleuchte 86 mit einem zugeordneten Reflektor 88 positioniert ist. Eine drehbare Filterscheibe. 90 ist auf einer Welle über der Leuchte 86 und dem Reflektor 88 befestigt. Ebenso wie die Filterscheibe 60 der Einrichtung nach Fig. 5 ist die Filterscheibe 90 so ausgelegt, daß sie eineThe embodiment of the strip scanning head 80 according to FIG. 6 comprises a lower stationary part 80a and an upper movable part 80b which is vertically adjustable with respect to the part 80a. The parts 80a and 80b define at one end two parallel plates 82 and 84, between which a human breast to be examined is slightly compressed. The lower part 80a of the scanning head 80 has a housing 80c in which an infrared light source, e.g. B. a quartz halogen lamp 86 with an associated reflector 88 is positioned. A rotatable filter disc. 90 is mounted on a shaft above light 86 and reflector 88. Just like the filter disk 60 of the device according to FIG. 5, the filter disk 90 is designed so that it has a
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Mehrzahl von optischen Schmal- oder Breitband-Filtern 9Oa-in AusnehnehSmungen auf ihrem Umfang trägt. Ein Abschnitt der Filterscheibe 90 springt aus einem in *der Rückwand des Abtastkopfs gebildeten Schlitz vor, so daß ein Bediener in einfacher Weise jedes gewünschte Filter 90a für Gewebsuntersuchungen wählen kann. Licht von der Lampe 86 durchsetzt ein ausgewähltes Filter 90a und tritt in die Eintrittsfläche eines flexiblen faseroptischen Bündels 92 ein, das durch eine Befestigung 8Od in seiner Lage am Gehäuse 80c gehalten ist. Das. Austrittsende des optischen Faserbündels 92 ist in einer Kupplung 94a gesichert, die auf dem Oberende eines Ständers 94 angeordnet ist. Die Kupplung 94a ni'mmt ferner die Eintrittsfläche eines starren Lichtrohrs 96 auf, das in einem Ausrichtorgan 98 gleitet und an der Unter- oder Brustanlageseite 84 des einstellbaren oberen"Teils 80b des Abtastkopfs 80 endet. Die Austrittsfläche 96a des Lichtrohrs 96 weist vorteilhafterweise eine verstellbare Apertur (nicht gezeigt) auf, so daß der Durchmesser des das optische Faserbündel 92 und das Lichtrohr 96 durchsetzenden Lichtstrahls an der Austrittsfläche 96a des Lichtrohrs 96 regelbar ist. Unter der Austrittsfläche 96a des Lichtrohrs 96 und dieser gegenüber ist ein Lichtempfänger 100 angeordnet, der eine änderbare Apertur 100a aufweist, um den Durchmesser des in ihn eintretenden Lichtstrahls zu verstellen. Der Lichtempfänger 100 ist bevorzugt eine Silizium-Photodiode und ist auf dem Ende einer Ausrichtwelle 102 befestigt. Die Welle durchsetzt eine Bohrung in einem Ausrichtorgan 104 und ist in einer am Unterende des Ständers 94 angeordneten einstückigen Kupplung 94b aufgenommen. Die Kupplung 94b ist an einer Innennuten aufweisenden Hülse 106 gesichert, die eine Außennuten aufweisende Antriebswelle 108 aufnimmt. Die Antriebswelle 108 wird von einem Motor 104aPlurality of optical narrow or broadband filters 90a - in AusnehSmungen on their circumference. A portion of the filter disk 90 protrudes from a slot formed in the rear wall of the scanning head so that an operator can easily select any desired filter 90a for tissue examinations. Light from the lamp 86 passes through a selected filter 90a and enters the entrance surface of a flexible fiber optic bundle 92 which is held in place on the housing 80c by an attachment 80d. That. The exit end of the optical fiber bundle 92 is secured in a coupling 94 a which is arranged on the upper end of a stand 94. The coupling 94a also takes up the entry surface of a rigid light tube 96 , which slides in an alignment member 98 and ends at the lower or breast contact side 84 of the adjustable upper part 80b of the scanning head 80. The exit surface 96a of the light tube 96 advantageously has an adjustable one aperture (not shown), so that the diameter of the optical fiber bundle 92 and the light pipe 96 passes through the light beam at the exit face 96a of the light pipe 96 regulated. Under the exit surface 96a of the light pipe 96 and opposed to a light receiver 100 is arranged to start a The light receiver 100 is preferably a silicon photodiode and is attached to the end of an alignment shaft 102. The shaft passes through a bore in an alignment element 104 and is in one at the lower end of the stator 94 arranged one-piece coupling 94b received. The coupling 94b is secured to an internally grooved sleeve 106 which receives a drive shaft 108 having external grooves. The drive shaft 108 is driven by a motor 104a
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getrieben, der auf dem Ausrichtorgan 104 angeordnet ist, und ist so mit Nuten versehen, daß eine kombinierte Wendel im Uhrzeiger- und im Gegenuhrzeigersinn gebildet ist, so daß bei Beendigung ihrer Bewegung in jeder von beiden Richtungen längs der Antriebswelle 108 die Hülse 106 automatisch ihre Bewegungsrichtung umkehrt. Wenn die Welle 108 umläuft, werden der Ständer 94, das Lichtrohr 96 und der Lichtempfänger 100 gleichzeitig in die gleiche Bewegungsrichtung wie die Ständereinheit 94 bewegt. An jedem Endpunkt der Vorwärts- und Rückwärtsbewegung werden durch ein Schaltschloß (nicht gezeigt) das Lichtrohr 96, die Welle 102 und die Ausrichtorgane 98 und 104 um einen genauen Betrag auf den Verschiebeführungen 114,116 durch eine Schaltdrehung der Zahnräder 110a an den Zahnstangen 112 bewegt. Jedes Ende der Zahnradwelle 110 trägt ein Zahnrad 110a, die auf den parallel angeordneten Zahnstangen 112 laufen. Somit kann eine zweidimensionale Oberfläche durch die Vor- und Rückwärtssowie seitliche Bewegung der Austrittsfläche 96a des Lichtrohrs 96 und des Lichtempfängers 100 infolge der Bewegung der Antriebswelle 108 und der Zahnradwelle untersucht werden.driven, which is arranged on the alignment member 104, and is grooved so that a combined helix is formed clockwise and counterclockwise so that upon completion of their movement in either direction along the drive shaft 108, the sleeve 106 automatically theirs Reverses the direction of movement. When the shaft 108 revolves, the stand 94, the light pipe 96 and the light receiver 100 are simultaneously moved in the same direction of movement as the stand unit 94. At each end point of the forward and backward movement, the light tube 96, the shaft 102 and the alignment members 98 and 104 are moved by a switch lock (not shown) by a precise amount on the sliding guides 114, 116 by a switching rotation of the gears 110a on the racks 112. Each end of the gear shaft 110 carries a gear 110a, which run on the racks 112 arranged in parallel. Thus, a two-dimensional surface can be examined by the forward, backward and lateral movement of the exit surface 96a of the light pipe 96 and the light receiver 100 due to the movement of the drive shaft 108 and the gear shaft.
Die an der Brust anliegenden Flächen der Platten 82 und 84 uestehen vorteilhafterweise aus einem durchsichtigen Kunststoff, so daß sich die Austrittsfläche 96a des Lichtrohrs 96 und die verstellbare Apertur 100a des Lichtempfängers 100 relativ zu der Brust bewegen können, ohne daß sie in direkten Kontakt damit gelangen.The breast surfaces of the plates 82 and 84 are advantageously made of a transparent plastic so that the exit surface 96a of the light tube 96 and the adjustable aperture 100a of the light receiver 100 can move relative to the breast without coming into direct contact therewith .
Die Ausrichtung der beweglichen Elemente des Kopfs 80 wird durch die miteinander fluchtenden parallelen Führungen 114 und 116 aufrechterhalten. Der gesamte obere Teil 80b des Abtastkopfs 80 kann relativ zum unteren Teil 80a vertikal bewegt werden, so daß praktisch jede Brustgröße aufnehmbar ist. Der Ständer 94 und dieThe orientation of the movable elements of the head 80 is determined by the mutually aligned parallels Guides 114 and 116 maintained. The entire upper part 80b of the scanning head 80 can relative to the lower part 80a can be moved vertically so that practically any breast size can be accommodated. The stand 94 and the
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-λ. 3103603 .30·-λ. 3103603 .30 ·
Welle 110 sind miteinander verkeilt, so daß eine ungehinderte Auf- und Abbewegung von einer Entfernung zwischen ca. 2,5A- cm und 10,16 cm möglich ist. Ein manuell getriebener Zahntreibriemen 120 ist mit Höheneinstellschrauben (nicht gezeigt) an den Ecken des Abtastkopfs 80 verbunden, so daß der Abstand zwischen den durchsichtigen Kunststoffflächen der Platten 82 und 84· in erwünschter Weise einstellbar ist. Eine Welle 122 verbindet den Abtastkopf 80 mit einer Abtastkonsole 130 (vgl. die Fig. 8A und 8B). Ein Kabel 12A-überträgt zwei Gruppen von elektronischen Signalen zu der Abbildungskonsole 132. Eine Gruppe von Signalen betrifft die absolute, vom Lichtempfänger 100 erfaßte Lichtstärke. Die andere Gruppe von Signalen betrifft die absoluten XY-Lagekoordinaten der Austrittsfläche 96a des Lichtrohrs 96 und der verstellbaren Öffnung 100a des Lichtempfängers. Diese Gruppen von elektronischen Signalen dienen der Intensitätsmodulation eines Kathodenstrahls und der Ortssteuerung dieses Strahls. Nach den Fig. 8A und 8B wird die Brust einer Patientin 13A- im dem Abtastkopf 80 zusammengedrückt, der über die Welle 122 mit einem Träger 130a verbunden ist. Ein Bediener 136 steht über eine Tastatur 138 mit der elektronischen Steuerung 14-0 in Verbindung, so daß eine Abbildung und eine alphanumerische Anzeige auf der Kathodenstrahlröhre 142 erzeugt werden. Abbildungen auf einem photographischen Film werden von einer Mehrformat-Abbildungseinheit 1ΑΛ erzeugt.Shaft 110 are keyed together so that they can move freely up and down from a distance between approx. 2.5A- cm and 10.16 cm is possible. A manually driven toothed drive belt 120 has height adjustment screws (not shown) at the corners of the scanning head 80 connected, so that the distance between the transparent plastic surfaces of the plates 82 and 84 · can be adjusted as desired. One Shaft 122 connects the scan head 80 to a scan console 130 (see FIGS. 8A and 8B). One cable 12A transmits two sets of electronic signals to imaging console 132. One set of signals relates to the absolute one detected by the light receiver 100 Light intensity. The other group of signals relates to the absolute XY position coordinates of the exit surface 96a of the Light tube 96 and the adjustable opening 100a of the Light receiver. These groups of electronic signals serve to modulate the intensity of a cathode ray and control the position of this ray. After the Figures 8A and 8B illustrate the breast of a patient 13A-im compressed by the scanning head 80, which is connected via the shaft 122 to a carrier 130a. One operator 136 is in communication with the electronic control 14-0 via a keyboard 138, so that an image and an alphanumeric display can be generated on the cathode ray tube 142. Illustrations on a photographic Films are produced by a multi-format imaging unit 1ΑΛ.
Fig. 7 zeigt eine Lichtübertragungseinheit mit einem Basisteil 150 und einem Brustauflageteil 152. Das Basisteil 150 trägt eine Lichtquelle, z. B. eine Quarzhalogenlampe (nicht gezeigt), die in einem Reflektor 15A- angeordnet ist. Eine Filterscheibe 156 ist drehbar über dem7 shows a light transmission unit with a base part 150 and a breast support part 152. The base part 150 carries a light source, e.g. B. a quartz halogen lamp (not shown) arranged in a reflector 15A- is. A filter disc 156 is rotatable over the
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- 219 -- 219 -
Reflektor 154 angeordnet und weist mehrere optische Filter 156a auf, die konzentrisch um den Scheibenumfang angeordnet sind. Ein Abschnitt des Außenrands der Filterscheibe 156 springt durch einen in der Seitenwand des Basisteils gebildeten Schlitz 150a vor, um das Drehen der Filterscheibe zu ermöglichen. Ein Lichtrohr 158 mit einer Lichteintrittsfläche, die nahe der Filterscheibe 156 und der Lichtquelle gegenüber angeordnet ist, ist in dem Basisteil 150 enthalten. Das Lichtrohr 158 ist verzweigt, so daß zwei Lichtaustrittsflächen 158a und 158b gebildet sind, die von einem Blendenzahnrad 160 verschlossen werden. Das Lichtrohr 158, seine Lichtaustrittsflächen 158a und 158b sowie das Blendenzahnrad 160 laufen um eine Hohlwelle 162 um, die von einem Riemen 164 getrieben wird, der mit einer Antriebsscheibe 166 und einem Motor 168 verbunden ist. Das Brustauflageteil 152 weist eine nach unten verlaufende Stange 152d auf, die in der Hohlwelle 162 des Basisteils 150 aufnehmbar ist. Das Brustauflageteil 152 ist so geformt, daß ein Patient in komfortabler Position untersucht werden kann. Die Oberseite 152a des Brustauflageteils 152 weist eine Mehrzahl von gleichbeabstandeten Lichtpunktöffnungen 152b auc, die in ihr ausgebildet sind. Oede der Öffnungen 152b ist mit den Lichtaustrittsflächen 170a einer gleichen Anzahl von faseroptischen Lichtzuführbündeln 170 ausgerichtet. Die Lichteintrittsflächen 170b sind nahe beabstandeten Reihen von Öffnungen 152c in der Unterseite des Brustauflageteils 152 geformt. Beim Betrieb werden die Lichtaustrittsflächen 158a und 158b des Lichtrohrs 158 sowie das Blendenzahnrad 170 derart, gedreht, daß die äußeren und inneren Reihen von Öffnungen 152c und ihre zugehörigen Lichteintrittsflächen 170b der optischen Faserbündel 170 sequentiell adressiert werden. Ein Taktsignal vom Motor 168 wird einer computerunterstützten Axialtomographie-Einrichtung 180 (vgl. die Fig. 9A und 9B) zugeführt.Arranged reflector 154 and has a plurality of optical filters 156a, which are arranged concentrically around the disk circumference. A portion of the outer edge of the filter disc 156 protrudes through a slot 150a formed in the side wall of the base to enable the filter disc to rotate. A light tube 158 with a light entry surface, which is arranged close to the filter disk 156 and opposite the light source, is contained in the base part 150. The light tube 158 is branched, so that two light exit surfaces 158a and 158b are formed, which are closed by a diaphragm gear 160. The light tube 158, its light exit surfaces 158a and 158b and the aperture gear 160 rotate around a hollow shaft 162 which is driven by a belt 164 which is connected to a drive pulley 166 and a motor 168. The chest support part 152 has a downwardly extending rod 152d which can be received in the hollow shaft 162 of the base part 150. The chest support part 152 is shaped so that a patient can be examined in a comfortable position. The top 152a of the chest support portion 152 has a plurality of equally spaced light spot openings 152b au c formed therein. Each of the openings 152b is aligned with the light exit surfaces 170a of an equal number of fiber optic light supply bundles 170. The light entry surfaces 170b are formed in closely spaced rows of openings 152c in the underside of the chest support part 152. In operation, the light exit surfaces 158a and 158b of the light tube 158 and the aperture gear 170 are rotated such that the outer and inner rows of openings 152c and their associated light entry surfaces 170b of the optical fiber bundles 170 are sequentially addressed. A clock signal from the motor 168 is fed to a computer-assisted axial tomography device 180 (cf. FIGS. 9A and 9B).
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Nach den Fig. 9A und 9ß ist die linke Brust einer sitzenden Patientin zwischen der Oberfläche 152a des Brustauflageteils 152 und einem Lichtausschlußkegel 18A- zusammengedrückt. Die computerunterstützte Axialtomographie-Einrichtung, die schematisch angedeutet ist, umfaßt einen Bildempfänger, der eine computerkompatible Fernsehkamera 186 aufweist. Ein Doch 188 unterhalt die optische Ausrichtung. Eine Welle 190 erlaubt ein Drehen um die Achse, und eine Vertikalbewegung ist längs einem Halteständer 192 möglich. Ein Bediener 194 betätigt eine Tastatur 196, die mit dem Computer verbunden ist, sowie zur Anzeige von Abbildungen und alphanumerischer Information auf einer Kathodenstrahlröhre. Das Computer system 200 besteht aus mehreren Bausteinen, mit einem Analog-Digital-Videoumsetzer 202, einer Kamera-Computer-Schnittstelle 204, und einer Rahmenspeichereinheit 206. Die Rahmen 208 werden von einem Einheitlichkeits-Verbindungsbaustein 210 gehandhabt und zum Rahmenspeicher 212 weitergeleitet. Wenn die Abbildungsfamilie, die auf die Lichtpunkte von den Austrittsflächen 170a des Brustauflageteils 152 codiert ist, fertiggestellt ist, werden diese Rahmen von einem Bildrekonstruktions-Algorithmus 214 bearbeitet, so daß eine computerrekonstruierte rückwärtsprojektierte Abbildung erzeugt wird. Diese Abbildung wird auf einer Fernsehbildanzeige 216 zur Anzeige gebracht und gleichzeitig auf einem Videoschirm mit hoher Auflösung einer Multiformat-Filmbildeinheit 218 zur Anzeige gebracht, der ähnlich wie bei herkömmlichen Mammogrammen Dias der Brust auf dem Brustauflageteil 152 erzeugt.Referring to Figures 9A and 9B, the left breast of a seated patient is between surface 152a of the Chest support part 152 and a light exclusion cone 18A- pressed together. The computer-aided axial tomography facility, which is indicated schematically, comprises an image receiver, which is a computer compatible Television camera 186 has. A but 188 maintains the optical alignment. A wave 190 allows rotation about the axis and vertical movement along a support post 192. A Operator 194 operates a keyboard 196 associated with the Computer connected and for displaying images and alphanumeric information on a cathode ray tube. The computer system 200 consists of several components, with an analog-digital video converter 202, a camera-computer interface 204, and a Frame storage unit 206. The frames 208 are handled by a uniformity link module 210 and forwarded to frame memory 212. If the family of images that point to the points of light from the Exit surfaces 170a of the breast support part 152 are coded is, is finished, these frames are from a Image reconstruction algorithm 214 processed so that a computer reconstructed backprojected Figure is generated. This image is displayed on a television picture display 216 and simultaneously displayed on a high resolution video screen of a multiformat film image unit 218, which, similar to conventional mammograms, generates slides of the breast on the breast support part 152.
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Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf ihre Anwendung bei der Erfassung von Schädigungen der menschlichen Brust erläutert; sie kann natürlich auch dazu eingesetzt werden, die sich ändernde optische Absorption und die Streucharakteristika von Licht in den Lungen und anderem zugänglichem Gewebe zu bestimmen und Lunge , Gehirn und andere Körperteile abzubilden.The invention has been described with reference to its application in the detection of damage to human Breast explained; it can of course also be used for the changing optical absorption and the Determine scatter characteristics of light in the lungs and other accessible tissue and lungs, brain and map other parts of the body.
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Claims (1)
dadurch gekennzeichnet,11. Device according to claim 9,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,12. Device according to claim 9,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,13. Device according to claim 1,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,16. Device according to claim 1,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,24 ·. Device according to claim 1,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,26. Device according to claim 25,
characterized,
dadurch gekennzeichnet,42. Device according to claim 41,
characterized,
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