DE69734203T2 - Opto akustische laser-abbildungsanordnung - Google Patents

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L. Steven JACQUES
O. Rinat ESENALIEV
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Gebiete Optik, Laser und medizinische Diagnosegeräte. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung ein optoakustisches Laser-Abbildungssystem, das imstande ist, ein dreidimensionales Bild (Tomographie-Abtastung) von menschlichen Organen zu erzeugen.
  • Beschreibung der verwandten Technik
  • Die Ultraschall-Abbildung wird gegenwärtig in der klinischen medizinischen Praxis allgemein verwendet, um Anomalien in Weichgewebeorganen mit akustischen Grenzen zu erkennen, wie eine Art von Gewebe, die in einer anderen Art eingebettet ist. Die Ultraschall-Abbildung weist jedoch mehrere Einschränkungen auf. Zum Beispiel ist die Ultraschall-Abbildung unfähig, akustisch homogene Gewebe zu erfassen bzw. erkennen, d.h. wenn die Ultraschall-Eigenschaften von sämtlichen der abgetasteten Gewebe ähnlich sind.
  • Optische Abbildungstechnologien basieren auf einer zeitaufgelösten oder phasenaufgelösten Erfassung von diffus reflektierten Licht-Impulsen oder Photonen-Dichtewellen. Optische tomographische Technologien nutzen zu diagnostischen Zwecken Unterschiede bei optischen Eigenschaften von Gewebe aus. Jedoch ist die allgegenwärtige Lichtstreuung in Geweben ein großes Hindernis für eine Laser-Abbildung gewesen.
  • Optoakustische Spektroskopieverfahren benutzen Licht, um ein interessierendes Objekt (Moleküle oder Atome) zu erregen. Unter Verwendung von akustischen (piezoelektrischen) Detektoren kann die optoakustische Spektroskopie-Methodik die Last- bzw. Spannungs-Amplitude messen, um Absorptionsspektren zu erhalten. Dies stellt per se weder eine Abbildungs- noch Tomographie-Technologie dar.
  • Prinzipien der Laser-Optoakustik, d.h. Verfahren zur Last- bzw. Spannungserzeugung und -erfassung sind beschrieben worden. Die Beziehung zwischen der räumlichen Verteilung von akustischen Quellen und dem zeitlichen Profil von laserinduzierten Last- bzw. Spannungswellen ist abgeleitet worden.
  • Kruger et al. (Med. Phys. Vol. 22, Nr. 10, S. 1605–1609 (Okt. 1999) entwickeln eine Beziehung zwischen photoakustischen Ultraschall-Rekonstruktions-Tomographiesignalen und der heterogenen Verteilung der optischen Absorption innerhalb des interessierenden Objekts. Es wird ein System beschrieben, das vernünftige Rekonstruktionen für Absorber beschreibt, die innerhalb einer eng begrenzten Ebene verteilt sind, welche in einem hochgradig streuenden Medium eingebettet ist. Karabutov et al. (Proceedings SPIE, Vol. 2389, S. 209–217 (1995)) beschreiben eine Theorie und ein Experiment, um Tiefenprofile der Verteilung von mikroskopischen Partikeln zu erfassen, mit Abmessungen, die viel kleiner als die verwendete Wellenlänge sind.
  • Im Stand der Technik fehlt ein funktionierendes optoakustisches Laser-Abbildungssystem. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen seit langem bestehenden Bedarf und Wunsch auf dem Fachgebiet.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Eine photoakustische Ultraschall-Technologie zur medizinischen Abbildung ist im Stand der Technik beschrieben worden. Jedoch hat der Stand der Technik drei Prinzipien der optoakustischen Laser-Abbildung, die für Empfindlichkeit, räumliche Auflösung und richtige Interpretation von Bildern von Bedeutung sind, nicht verstanden und ist nicht richtig mit ihnen umgegangen. Diese Prinzipien sind: (1) Laser-Bestrahlung mit kurzen Impulsen, um transiente Last- bzw. Spannungswellen unter Bedingungen einer zeitlichen Last- bzw. Spannungsbegrenzung zu erzeugen, wodurch solche Bestrahlungen die höchstmögliche Amplitude von erzeugter Last bzw. Spannung liefern, mit Profilen, die demjenigen der Lichtverteilung in Geweben ähneln, was scharfe Bilder mit einer genauen Lokalisierung ergibt; (2) zeitaufgelöste Erfassung eines Last- bzw. Spannungsprofils zum Erhalt von diagnostischen Informationen nicht aus der Tatsache irgendeiner Signalerfassung, sondern aus dem zeitlichen Profil der erzeugten Last- bzw. Spannungswelle; und (3) Verwendung von piezoelektrischen Breitband-Detektoren, um Last- bzw. Spannungsprofile (akustische Wellen mit einem breiten Spektrum von Ultraschall-Frequenzen) korrekt wiederzugeben, um eine hohe räumliche Tomographie-Auflösung zu erhalten. Das optoakustische Laser-Abbildungssystem (LOAIS) der vorliegenden Erfindung kombiniert zum Teil Elemente von (1) Ultraschall-Abtastung, (2) optischer zeitaufgelöster Tomographie, und (3) selektiver gepulster Erregung von heterogenen Gewebestrukturen und zeitaufgelöster Erfassung von laserinduzierten Last- bzw. Spannungswellen, um detaillierte medizinische diagnostische Informationen zu erhalten.
  • Die vorliegende Erfindung ist auf eine Vorrichtung gerichtet und kann verwendet werden, um eine komplexe Gewebestruktur auf der Grundlage des optischen Kontrasts abzubilden. Die Technik der vorliegenden Erfindung verwendet einen gepulsten Laser, um einen spezifischen Gewebebereich mit einer optischen Absorption, die hinsichtlich ihrer Umgebung abweicht, leicht, aber schnell, zu erwärmen. Diese leichte Erwärmung wandelt sich in eine Druckwelle um, d.h. eine Schallwelle, die sich von der Quelle der Erwärmung aus bis nach außen fortpflanzt. Ein Wandler erfasst die Zeit, die Größe und die Gestalt der ankommenden Druckwellen. Der Wandler kann ein piezoelektrischer Wandler an der Gewebeoberfläche oder ein eingebetteter Wandler sein. Der Laser-Impuls muss ausreichend kurz sein, um es zu ermöglichen, dass sich der Druck aufbaut, bevor sich der Druck mit Schallgeschwindigkeit (ungefähr 1500 m/s) auflösen kann. Zum Beispiel kann ein Laser-Impuls von 10 ns absorbierende Objekte mit der räumlichen Auflösung von (1500 m/s)(19 ns) = 15 μm abbilden. Somit gestattet die Erfindung eine Abbildung von Gewebestrukturen mit hoher räumlicher Auflösung in trüben Medien, wie biologischen Geweben. Die Abbildungstechniken der vorliegenden Erfindung basieren auf dem optischen Kontrast anstatt auf Dichteänderungen, wie bei der Ultraschall-, Magnetresonanz-Abbildung oder bei der Röntgen-Computertomographie. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann daher verwendet werden, um Kontrastobjekte abzubilden, die von diesen anderen Abbildungstechniken aus dem Stand der Technik nicht gut abgebildet werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Abbildungssystem bereit, das ausgebildet ist, um aus Druckprofilen, die in einem interessierenden Bereich in einem Körper optisch induziert worden sind, ein Bild mit hoher räumlicher Auflösung zu rekonstruieren, umfassend:
    eine gepulste Laserquelle, um die optisch induzierten Druckprofile unter Verwendung von zeitlicher Last- bzw. Spannungsbegrenzung zu erzeugen;
    ein Lichtzufuhrsystem zur Zufuhr von Strahlung aus der gepulsten Laserquelle zu dem interessierenden Bereich;
    mindestens einen akustischen Wandler, um optoakustische Signale zu erfassen, die für Druckprofile in dem interessierenden Bereich repräsentativ sind; und
    ein elektronisches System zum Aufzeichnen und Verarbeiten der erfassten Druckprofile;
    dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungssystem weiter Mittel einschließt, um exogene Molekülsonden oder Farbstoffe abzugeben, um den Kontrast zwischen Druckprofilen unterschiedlicher Strukturen in dem interessierenden Bereich zu verstärken, sowie einen Rechner mit Software zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes, einer zweidimensionalen Scheibe oder eines axialen Profils des interessierenden Bereichs in dem Körper aus den erfassten Druckprofilen sowie zur Analyse derselben.
  • Andere und weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung der augenblicklich bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich, die zum Zweck der Offenbarung angegeben sind.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Damit der Gegenstand, in dem die oben genannten Merkmale, Vorteile und Ziele der Erfindung, sowie andere, die deutlich werden, erreicht werden, ausführlich verständlich wird, kann man sich eine speziellere Beschreibung der oben kurz zusammengefassten Erfindung durch Bezugnahme auf gewisse Ausführungsformen derselben verschaffen, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Diese Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung. Es soll jedoch festgestellt werden, dass die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen und deshalb in ihrem Umfang nicht als einschränkend angesehen werden sollen.
  • 1 zeigt eine Prinzipskizze des optoakustischen Laser-Tomographiesystems im Durchlass-Modus.
  • 2 zeigt, dass ein Akustikwandler-Signal in vitro aus einem kleiner Leber-Volumen erfasst werden kann, das im Inneren eines größeren Hühnerbrustmuskelgewebe-Volumens platziert worden ist.
  • 3 zeigt, dass ein Akustikwandler-Signal aus einem pathologischen Übungsgewebe (2,5 mm große gefärbte Gel-Kugel) erfasst werden kann, die innerhalb eines großen Volumens eines optisch trüben Gel-Zylinders eingebettet ist, der eine weibliche Brust simuliert. Zum Vergleich ist auch ein Signal aus dem Gel-Zylinder dargestellt, das aufgezeichnet wird, wenn der Laser-Impuls vorbeigeht und daher die kleine Farbkugel nicht erwärmt.
  • 4 zeigt eine Prinzipskizze einer optoakustischen Laser-Tomographie im Reflexions-Modus.
  • 5 zeigt ein Akustikwandler-Signal, das in vivo aus einem Hahnenkamm erfasst wird, der das beste bekannte Modell für Portwein-Male ist.
  • 6 zeigt ein Akustikwandler-Signal, das in vivo aus einem unter der Haut eines Mäuserückens angeordneten kleinen Tumor erfasst wird.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Definitionen
  • So, wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "optoakustische Laser-Tomographie" auf ein optoakustisches Laser-Tomographiesystem, das eine Erfassung von Last- bzw. Spannungswellen nutzt, die aus dem Volumen ihrer Erzeugung bis zur bestrahlten Gewebeoberfläche zurück reflektiert werden. Mit anderen Worten ist die optoakustische Laser-Tomographie ein diagnostisches Verfahren, um optische Bilder von geschichtetem Gewebe zu erhalten, während laserinduzierte Last- bzw. Spannungsprofile erfasst werden.
  • So, wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "Tomographie im Reflexions/Durchlass-Modus" auf das optoakustische Laser-Tomographiesystem der vorliegenden Erfindung, das die Erfassung von Last- bzw. Spannungswellen nutzt, die aus dem Volumen ihrer Erzeugung zu hinteren Gewebeoberflächen, d.h. entgegengesetzt zu den bestrahlten, durchgelassen werden.
  • So, wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "transiente Last- bzw. Spannungswellen" auf eine Last- bzw. Spannungswelle, die eine begrenzte Dauer besitzt und ein begrenztes Volumen einnimmt.
  • So, wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "zeitliche Last- bzw. Spannungsbegrenzung" auf die Begrenzung von laserinduzierter Last bzw. Spannung innerhalb eines erwärmten Volumens während des Verlaufs der Laserenergieabgabe.
  • So, wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "zeitaufgelöste Erfassung eines Last- bzw. Spannungsprofils" auf die Erfassung von transienten Last- bzw. Spannungswellen mit einer zeitlichen Auflösung, die ausreicht, um ein Druckwellenprofil mit Genauigkeit zu rekonstruieren.
  • So, wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "optische zeitaufgelöste Tomographie" auf Tomographie, die auf einer zeitaufgelösten Erfassung von ultrakurzen Laser-Impulsen basiert, die durch biologisches Gewebe von diagnostischem Interesse durchgelassen werden.
  • So, wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "piezoelektrische Detektoren" auf Detektoren für akustische Wellen, z.B. Last- bzw. Spannungswellen, welche das Prinzip einer elektrischen Ladungserzeugung auf eine Volumenänderung innerhalb von Kristallen hin ausnutzen, die einer Druckwelle ausgesetzt sind.
  • So, wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "Ultraschall-Abtastung" auf ein diagnostisches Verfahren, das eine Zufuhr von Ultraschall-Last- bzw. Spannungswellen zu einer Gewebeoberfläche nutzt, gefolgt von der Erfassung der Signale, die von Grenzen innerhalb des diagnostizierten Gewebes reflektiert werden.
  • So, wie er hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff "gepulste Erwärmung von Gewebe" auf die Erwärmung eines Gewebevolumens, das mit Laser-Impulsen bestrahlt wird.
  • Die vorliegende Erfindung nutzt die zeitaufgelöste Erfassung von laserinduzierten Last- bzw. Spannungs-(Ultraschall-) Wellen, um Tomographiebilder von menschlichen Organen oder Zellstrukturen zu diagnostischen Zwecken zu erhalten. Diagnostische Verfahren, bei denen das optoakustische Laser-Abbildungssystem der vorliegenden Erfindung nützlich ist, schließen ein: (1) kurze Laser-Impulse, die zur Vorderseite eines gerade untersuchten menschlichen Organs abgegeben werden. Die Laser-Wellenlänge muss ausgewählt werden, um eine erwünschte Lichteindringtiefe und einen maximalen Kontrast zwischen normalen und abnormalen Geweben zu erzielen. Eine heterogene Absorption von Photonen und eine Erwärmung von Gewebe bewirkt eine Erzeugung von thermoelastischer Last bzw. Spannung, die im bestrahlten Volumen vorübergehend eingeschlossen wird. Kurze Laser-Impulse dienen drei Zwecken: (1) um die wirkungsvollste Erzeugung von transienter Last bzw. Spannung zu erhalten, (2) um ein Last- bzw. Spannungsprofil zu erhalten, das dem Profil der heterogenen Lichtverteilung ähnelt, (3) um mit äußerster Positionsgenauigkeit Bilder einer Gewebeschicht oder eines Gewebevolumens von diagnostischem Interesse zu erhalten.
  • Transiente Last- bzw. Spannungswellen werden sich zu einem akustischen Wandler oder Akustikwandler (Detektor) hin ausbreiten. Ein Wandler, z.B. ein piezoelektrischer Wandler, wird das Last- bzw. Spannungsprofil in ein elektrisches Signal umwandeln. Das von einem digitalen Oszilloskop aufgezeichnete zeitliche Profil des elektrischen Signals wird in ein räumliches Profil einer transienten Last- bzw. Spannungsverteilung umgewandelt. Die transiente Last- bzw. Spannungsverteilung ähnelt einem Profil der absorbierten Laserenergieverteilung, das wiederum gewisse diagnostische Informationen enthält. Sowohl ein Laserstrahl und ein piezoelektrischer Wandler (Detektor) werden über den gerade diagnostizierten Bereich bewegt. Die Positionierung eines Detektors an verschiedenen Stellen gestattet eine Rekonstruktion eines dreidimensionalen optoakustischen Bildes aus transienten Last- bzw. Spannungsprofilen und Zeitverzögerungen zwischen Augenblicken der gepulsten Laser-Bestrahlung und Augenblicken der Last- bzw. Spannungserfassung (die Ausbreitungsgeschwindigkeit von akustischen Wellen ist für die große Mehrzahl von Geweben bekannt). Die Last- bzw. Spannungserfassung kann sowohl im Durchlass-Modus und im Reflexions-Modus vorgenommen werden, was für eine in vivo-Diagnose von verschiedenen menschlichen Organen und anderen biologischen Systemen eine beträchtliche Flexibilität erlaubt.
  • Optoakustische Laser-Abbildungssysteme (LOAIS) können bei der diagnostischen Reihenuntersuchung von Brustkrebs (Mammographie), Hauttumoren und verschiedenen anderen Läsionen (wie Portwein-Male usw.), egal ob sie äußerlich oder durch Endoskope zugänglich sind, zur Erkennung von Gehirn-Hämatomen (Blutungen), arteriosklerotischen Läsionen in Blutgefäßen und zur allgemeinen Charakterisierung der Gewebezusammensetzung und -struktur verwendet werden. Zudem kann die optoakustische Laser-Abbildung während medizinischer Laser-Behandlungen Rückkopplungs-Informationen liefern.
  • Somit ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Diagnostizieren eines erkrankten Gewebes innerhalb eines normalen Gewebes unter Verwendung von optoakustischer Laser-Tomographie gerichtet, umfassend die Schritte: Bestrahlen der Oberfläche des normalen Gewebes mit mindestens einem Laser-Impuls, so dass er bis zu einer ausreichenden Tiefe eindringt und ein kleines Volumen oder eine Schicht erkranktes Gewebe mit einer höheren optischen Absorption selektiv erwärmt; bewirken, dass das erkrankte Gewebe eine Last- bzw. Spannungswelle mit einem Profil erzeugt, das demjenigen von erkranktem Gewebe ähnelt, wobei sich die Last- bzw. Spannungswelle mit minimalen Veränderungen bis zur Oberfläche von normalem Gewebe fortpflanzt; Erfassen der Last- bzw. Spannungswelle mit mindestens einem akustischen Wandler; Aufzeichnen der Amplitude und des zeitlichen Profils der laserinduzierten Last- bzw. Spannungswelle mittels eines digitalen Oszilloskops; Analysieren der Amplitude und des zeitlichen Profils der laserinduzierten Last- bzw. Spannungswelle mit einem Rechner.
  • Vorzugsweise werden die Last- bzw. Spannungsprofile aufgezeichnet und vom Rechner analysiert, um ein dreidimensionales Bild zu rekonstruieren. Im Allgemeinen erwärmt der Laser-Impuls gewisse Gewebestrukturen mit unterschiedlicher Lichtabsorption, wodurch Last- bzw. Spannungsprofile erzeugt werden, die Profilen der absorbierten Laserenergieverteilung in heterogenen Geweben ähneln, gefolgt von einer zeitaufgelösten Erfassung von Ultraschall-Last- bzw. Spannungswellen. Die Gestalt und Abmessungen des erkrankten Gewebevolumens oder der erkrankten Gewebeschicht werden im Allgemeinen aus dem zeitlichen Profil der laserinduzierten Spannung bzw. Last, dem Zeitpunkt der Ankunft der Last- bzw. Spannungswelle am akustischen Wandler und der Richtung der Last- bzw. Spannungserfassung bestimmt.
  • Vorzugsweise ist der akustische Wandler ein piezoelektrischer Wandler, und der akustische Wandler benutzt eine zeitliche Auflösung. Gewöhnlich bestimmt der Wandler die Geometrie des gerade diagnostizierten Gewebevolumens, ohne eine Abtastbewegung des akustischen Wandlers, an einer festen Stelle des Laserstrahls. Jedoch können mehrere getrennte optische Fasern oder Laserstrahlen verwendet werden, um ein großes Gewebevolumen zu bestrahlen, um die Abtastzeit und den einfallenden Laser-Fluss zu verringern. Im Allgemeinen wird die Amplitude und das zeitliche Profil einer laserinduzierten Last- bzw. Spannungswelle mittels eines digitalen Oszilloskops aufgezeichnet.
  • Bei den Verfahren der vorliegenden Erfindung kann die Last- bzw. Spannungserfassung im Durchlass-Modus erfolgen, und die Last- bzw. Spannungserfassung von optischen Gewebeheterogenitäten findet in einer Gewebetiefe von bis zu etwa 12 cm statt. Alternativ kann die Last- bzw. Spannungserfassung im Reflexions-Modus erfolgen. Im Allgemeinen erfolgt die Bestrahlung im Spektralbereich eines therapeutischen Fensters von etwa 600 nm bis etwa 1400 nm. Es wird weiter ins Auge gefasst, dass ein Durchschnittsfachmann exogene Molekülsonden oder Farbstoffe verwenden könnte, um den Kontrast eines tomographischen Bildes zu verbessern.
  • Allgemein können die Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um eine breite Vielfalt von erkranktem Gewebe zu diagnostizieren. Vorzugsweise ist das erkrankte Gewebe Brustkarzinom, Gehirnblutungen, Hämatome, arteriosklerotische Plaquen, Polyarthritis, Portwein-Male, Hautleiden, Melanome oder Augenkrankheiten.
  • Wenn das erkrankte Gewebe ein inneres Organ ist, kann die Bestrahlung durch ein Endoskop zugeführt werden, und der akustische Wandler kann auf der Hautoberfläche angeordnet werden. Alternativ kann die Bestrahlung auf die Hautoberfläche zugeführt werden, und der Wandler wird in ein Endoskop integriert und innerhalb der Organe positioniert. Wenn das erkrankte Gewebe ein inneres Organ ist, können weiter die optische Faser und der Wandler in ein Endoskop integriert und innerhalb der Organe positioniert werden.
  • Die vorliegende Erfindung stellt auch eine neuartige Vorrichtung als Tomographiesystem für biomedizinische Diagnosen bereit, umfassend: einen gepulsten Laser; ein Lichtzufuhrsystem; mindestens einen akustischen Detektor; ein elektronisches System zur Signalaufzeichnung und -verarbeitung; und einen Rechner mit Software zur Bildrekonstruktion und Bildanalyse.
  • Die folgenden Beispiele sind zum Zweck einer Veranschaulichung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung angegeben und sollen die vorliegende Erfindung nicht in irgendeiner Weise beschränken.
  • Mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen veranschaulicht 1 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, d.h. ein Beispiel der Nützlichkeit der optoakustischen Laser-Tomographie beim Diagnostizieren eines kleinen erkrankten Gewebevolumens (schwarzer Kreis) innerhalb eines großen Volumens von normalem Gewebe. Der Laser-Impuls bestrahlt die Oberfläche des normalen Gewebes und dringt bis zu einer ausreichenden Tiefe ein, um ein kleines Volumen von erkranktem Gewebe mit einer höheren optischen Absorption selektiv zu erwärmen. Das erwärmte Volumen von erkranktem Gewebe erzeugt augenblicklich eine Last- bzw. Spannungswelle mit einem Profil, das demjenigen von erkranktem Gewebe ähnelt. Die Last- bzw. Spannungswelle breitet sich mit minimalen Veränderungen bis zur Oberfläche des normalen Gewebes aus, wo sie von einem akustischen Wandler mit zeitlicher Auflösung erfasst wird. Die Amplitude und das zeitliche Profil der laserinduzierten Last- bzw. Spannungswelle wird von einem digitalen Oszilloskop aufgezeichnet und über eine Schnittstelle zur Datenanalyse zu einem Rechner übertragen. Eine Abtastbewegung mit dem Laserstrahl (der optischen Faser) gestattet die Bestrahlung des gesamten Volumen des tomographisch abgetasteten Organs und eine definierte Erwärmung von jeglichen erkrankten Geweben, die innerhalb von normalem Gewebe vorhanden sind. Eine Abtastbewegung des akustischen Wandlers entlang der Oberfläche des Organs gestattet eine Bestimmung der genauen Position von jeglichen erkrankten Gewebevolumina. Die Last- bzw. Spannungsprofile werden aufgezeichnet und vom Rechner analysiert, um dreidimensionale Bilder zu rekonstruieren, die angezeigt werden können.
  • Die Tomographie (Abbildung) im Spannungs- bzw. Last-Durchlass-Modus nutzt eine Erfassung von Spannungs- bzw. Lastübergängen, die aus dem mit dem Laser erregten Volumen in Richtung der Tiefe durch dicke Gewebeschichten durchgelassen werden. Die Betonung bei der Durchlass-Modus-Tomographie liegt auf der empfindlichen Erfassung von optischen Gewebe-Heterogenitäten, die in einer bedeutenden Gewebetiefe (bis zu 12 cm) angeordnet sind.
  • 2 zeigt ein Beispiel einer Messung von laserinduzierter transienter Last bzw. Spannung in einem kleinen Stück Schweinelebergewebe, das zwischen Muskelgewebeplatten (Hühnerbrust) platziert worden ist. Die Dauer der transienten Last- bzw. Spannungswelle und deren Amplitude waren gleich 300 ns bzw. 4 mbar, entsprechend der Probendicke und dem optischen Absorptionskoeffizienten. Dieses Experiment demonstrierte die Fähigkeit der optoakustischen Laser-Tomographie, kleine Gewebevolumina (3 mm × 2 mm × 0,5 mm) mit einem Absorptionskoeffizienten, μa = 0,215 cm–1, der geringfügig höher ist als derjenige von umgebendem Gewebe, μa ≌ 0,09 cm–1, in der Tiefe von mehr als 4 Zentimetern zu erfassen.
  • 3 zeigt ein Akustikwandler-Signal, das aus einem innerhalb eines größeren Volumens eines optisch trüben Gel-Zylinders eingebetteten pathologischen Übungsgewebe (gefärbte 2,5 mm große Gel-Kugel) erfasst wurde. Ein Kontrollsignal wurde in dem Fall verwendet, dass die Laser-Bestrahlung die gefärbte Kugel "verfehlte", und ist ebenfalls dargestellt. Das Übungs-Gel simulierte eine weibliche Brust, indem man optische Eigenschaften einer gefärbten Gel-Kugel hatte, die denjenigen ähnlich sind, die man in Brustkarzinomen findet. Außerdem waren die optischen Eigenschaften des umgebenden Gels denjenigen im weiblichen Brustgewebe ähnlich. Die Geometrie des Experiments ist ebenfalls dargestellt. Ein Laser-Impuls wurde von einer Seite des Gel-Zylinders aus abgegeben, und eine transiente Last- bzw. Spannungswelle wurde von der entgegengesetzten Seite aus erfasst. Die Position der gefärbten Gel-Kugel, die den Tumor simulierte, war der Person, die das diagnostische Verfahren durchführte, nicht bekannt. Eine gleichzeitige Abtastbewegung des Laserstrahls und des akustischen Wandlers brachten sowohl die Position und Abmessungen des "Tumors" zum Vorschein.
  • 4 zeigt ein schematisches Schaubild der optoakustischen Laser-Tomographie der vorliegenden Erfindung bei der Reflexions-Modus-Ausführungsform der Last- bzw. Spannungserfassung. Ein Laser-Impuls bestrahlt die Gewebeoberfläche mit einer Wellenlänge, die ausgewählt wurde, um oberflächlich (etwa 1 mm) in das Gewebe einzudringen und selektiv sämtliche Mikrostrukturen innerhalb des Gewebes zu erwärmen, mit dem Ziel, einen hohen Kontrast und eine hohe räumliche Auflösung zu erhalten. Ein plötzlich erwärmtes Volumen von geschichtetem Gewebe erzeugt eine Last- bzw. Spannungswelle, die ein Profil besitzt, das die Gewebestruktur anzeigt. Last- bzw. Spannungswellen wurden in Richtung der bestrahlten Oberfläche reflektiert und wurden mit minimalen Veränderungen von einem akustischen Wandler mit einer zeitlichen Auflösung im Nanosekunden-Bereich erfasst. Die Laser-Impulse wurden zu derselben Gewebeoberfläche zugeführt, an der eine Last- bzw. Spannungswelle erfasst wurde. Die Amplitude und das zeitliche Profil einer laserinduzierten Last- bzw. Spannungswelle wurden mittels eines digitalen Oszilloskops aufgezeichnet und zur Datenanalyse über eine Schnittstelle zu einem Rechner übertragen. Eine Abtastbewegung mittels des akustischen Wandler-Reflektometers und des Laserstrahls gestattete die Bestrahlung des gesamten Bereichs von diagnostischem Interesse. Aufgezeichnete Last- bzw. Spannungsprofile wurden vom Rechner analysiert, um ein dreidimensionales Bild zu rekonstruieren, das angezeigt und mittels spezieller Software bearbeitet wurde.
  • Die Tomographie (Abbildung) im Last- bzw. Spannungs-Reflexions-Modus nutzt die Erfassung von Last- bzw. Spannungsgradienten, die in einer oberflächlichen Gewebeschicht erzeugt und zur Gewebeoberfläche zurück reflektiert werden. Die Betonung bei der Reflexions-Modus-Tomographie liegt auf der hohen räumlichen Auflösung des gemessenen Bildes (bis zu 1,5 μm).
  • 5 zeigt ein optoakustisches Z-Achsen-Bild der absorbierten Laser-Fluss-Verteilung in einem Hahnenkamm. Das durch einen 14 ns Impuls bei 532 nm in einem Hahnenkamm eines Hahns induzierte transiente Last- bzw. Spannungsprofil wurde in vivo von einem akustischen Wandler gemessen. Der Laser-Strahl hatte einen Durchmesser von etwa 1 cm. Die Zeit "0" entspricht einem aus der Gewebeoberfläche erfassten Signal. Verschiedene Schichten wurden im Hahnenkammgewebe beobachtet. Eine Veränderung des erfassten Last- bzw. Spannungsübergangs infolge einer Beugung von akustischen Wellen, die in verteilten Kapillar-Blutgefäßen (Schicht 2) erzeugt wird, ergibt ein negatives Signal. Wenn Beugungs-Effekte kompensiert werden oder die transiente Last- bzw. Spannung unter beugungsfreien Bedingungen gemessen wird, wie in einem geschichteten System mit homogener Absorption in jeder Schicht, wird das Last- bzw. Spannungsprofil nur positive Komponenten besitzen. Die Signale 1–6 wurden in Blutgefäßen induziert, die in verschiedenen Tiefen im Gewebe angeordnet waren. Die Ziffern 1–5 entsprechen den Akustikwandler-Signalen, die in Schichten mit entweder größerer Dichte von kleinen Blutgefäßen (1 und 2) oder in getrennten großen Blutgefäßen (3, 4 und 5) erfasst wurden. Die geschichtete Struktur des Hahnenkamms ist deutlich dargestellt (die Schicht mit dichten kleinen Hautblutgefäßen, die gerade unter der Epidermis liegt, die Schicht von weniger vaskulärem lockerem Bindegewebe, die Kamm-Kernschicht mit Arterien und Venen, welche die oberflächlicheren vaskulären Schichten des Hahnenkamms versorgen). Die Tiefe ihrer Position wird richtig gemessen, wenn man sie mit der Hahnenkamm-Histologie vergleicht. Die laterale Position kann man finden, indem man die Gewebeoberfläche mit einem fokussierten Laserstrahl abtastet.
  • 6 zeigt eine Anzeige eines typischen Profils einer Last- bzw. Spannungswelle, die von Laser-Impulsen im Nanosekunden-Bereich mit 532 nm in Geweben einer Maus mit einem kleinen Tumor unter der Haut induziert wurden. Aus dem Volumen mit Krebs und aus dem Gewebe ohne Krebs erfasste Signale sind zum Vergleich dargestellt. Der Unterschied zwischen zwei dargestellten Signalen zeigt an, dass mit dem optoakustischen Laser-Tomographiesystem der vorliegenden Erfindung ein Brusttumor in einem Maus-Modell in vivo diagnostiziert werden kann. Dies ist ein anderes Beispiel eines optoakustischen Laser-Tomographiesystems der vorliegenden Erfindung bei der in vivo durchgeführten Reflexions-Ausführungsform. Gegenstand der Studie war eine Maus mit einem Krebs, der einen innerhalb des Muskels der Maus gezüchteten Tumor der weiblichen Brust modellierte. Das Abbildungsexperiment wurde mit zwei verschiedenen Mäusen mit ähnlichen Tumorbedingungen doppelt durchgeführt. Diese dargestellten Ausführungsformen demonstrierten eine optoakustische Laser-Abbildung in Geweben durch zeitaufgelöste Erfassung von laserinduzierten Last- bzw. Spannungsübergängen.
  • Jegliche, in dieser Beschreibung erwähnten Patente oder Veröffentlichungen sind bezeichnend für die Kenntnisse des Fachmanns auf dem Fachgebiet, zu dem die Erfindung gehört.
  • Der Fachmann wird mühelos erkennen, dass die vorliegende Erfindung gut angepasst ist, um die Ziele auszuführen und die erwähnten Zwecke und Vorteile, sowie diejenigen, die darin inhärent sind, zu erhalten. Die vorliegenden Beispiele zusammen mit den hier beschriebenen Verfahren, Vorgehensweisen, Behandlungen, Molekülen und spezifischen Verbindungen sind augenblicklich repräsentativ für bevorzugte Ausführungsformen, sind beispielhaft und sind nicht als Einschränkungen des Umfangs der Erfindung gedacht. Dem Fachmann auf dem Gebiet werden Veränderungen daran und andere Verwendungen einfallen, die innerhalb des Umfangs der Ansprüche eingeschlossen sind.

Claims (8)

  1. Abbildungssystem, das ausgebildet ist, um aus Druckprofilen, die in einem interessierenden Bereich in einem Körper optisch induziert worden sind, ein Bild mit hoher räumlicher Auflösung zu rekonstruieren, umfassend: eine gepulste Laserquelle, um die optisch induzierten Druckprofile unter Verwendung von zeitlicher Lastbegrenzung zu erzeugen; ein Lichtzufuhrsystem zur Zufuhr von Strahlung aus der gepulsten Laserquelle zu dem interessierenden Bereich; mindestens einen akustischen Wandler mit ausreichender zeitlicher Auflösung, um optoakustische Signale zu erfassen, die für Druckprofile in dem interessierenden Bereich repräsentativ sind; und ein elektronisches System zum Aufzeichnen und Verarbeiten der erfassten Druckprofile; dadurch gekennzeichnet, dass das Abbildungssystem weiter Mittel einschließt, um exogene Molekülsonden oder Farbstoffe abzugeben, um den Kontrast zwischen Druckprofilen unterschiedlicher Strukturen in dem interessierenden Bereich zu verstärken, sowie einen Rechner mit Software zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Bildes, einer zweidimensionalen Scheibe oder eines axialen Profils des interessierenden Bereichs in dem Körper aus den erfassten Druckprofilen sowie zur Analyse derselben.
  2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, bei dem die gepulste Laserquelle einen Wellenlängenspektralbereich von 600 nm bis 1400 nm aufweist.
  3. Abbildungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Lichtzufuhrsystem mindestens eine separate optische Faser oder einen separaten Laserstrahl umfasst, um ein großes Volumen des Gewebes zu bestrahlen.
  4. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der akustische Wandler imstande ist, Druckprofile innerhalb eines breiten Ultraschall-Frequenzbereichs zu erfassen, die Abmessungen des interessierenden Bereichs oder einer Struktur darin entsprechen.
  5. Abbildungssystem nach Anspruch 4, bei dem der akustische Wandler ein piezoelektrischer Wandler ist.
  6. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der akustische Wandler ein Druckprofil erfasst, das aus einer Gewebetiefe von bis zu 12 cm stammt.
  7. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das aus zeitlich aufgelösten Druckprofilen rekonstruierte Bild ein Bild von optischen Absorptionskoeffizienten in dem interessierenden Bereich ist.
  8. Abbildungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Abbildungssystem weiter ein Endoskop umfasst, das eines oder beide von dem Lichtzufuhrsystem und dem mindestens einen akustischen Wandler aufweist.
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