DE10157575A1

DE10157575A1 - System for fluorescence diagnostics

Info

Publication number: DE10157575A1
Application number: DE10157575A
Authority: DE
Original assignee: BIOCAM GmbH
Current assignee: BIOCAM GmbH
Priority date: 2001-08-09
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2003-04-17
Also published as: AU2002320927A1; ATE468804T1; DE50214454D1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein neuartiges System für die Fluoreszenzdiagnostik von Organen oder Geweben, mit wenigstens einer Lichtquelle zur Beaufschlagung eines Beobachtungsareals mit einem Anregungslicht sowie mit einem optischen Detektor für eine Fluoreszenz, die aufgrund des Anregungslichtes durch einen im Gewebe vorhandenen Fluoreszenzfarbstoff erzeugt wird.The invention relates to a novel system for the fluorescence diagnostics of organs or tissues, with at least one light source for applying an excitation light to an observation area and with an optical detector for a fluorescence that is generated due to the excitation light by a fluorescent dye present in the tissue.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System für die Fluoreszenzdiagnostik gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1. The invention relates to a system for fluorescence diagnostics according to Preamble of claim 1.

Die Fluoreszenzdiagnostik ist als ein noch experimentielles, klinisch nicht zugelassenes Verfahren grundsätzlich bekannt, welches u. a. auch für die quantitative Früherkennung einer Vielzahl von präkanzerosen/dysplastischen Veränderungen an Geweben sehr vielversprechend ist. Die Fluoreszenzdiagnostik macht sich die Stoffwechsel unterschiede beispielsweise im Porphyrinstoffwechsel zwischen Zellen in dysplastischem/tumorösem Gewebe und Zellen im normalen Gewebe zunutze. The fluorescence diagnosis is as yet experimental, not clinical approved procedure known in principle, which u. a. also for the quantitative Early detection of a variety of precancerous / dysplastic changes Weaving is very promising. Fluorescence diagnostics does this Metabolism differed, for example, in the porphyrin metabolism between cells in dysplastic / tumorous tissue and cells in normal tissue.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein System aufzuzeigen, mit dem eine verbesserte und eindeutigere Fluoreszenzdiagnostik möglich ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein System entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet. The object of the invention is to demonstrate a system with which an improved and clearer fluorescence diagnostics is possible. To solve this problem is a System designed according to claim 1.

Das erfindungsgemäße System dient zur Visualisierung von Fluoreszenzfarbstoffen zur Fluoreszenzdiagnostik u. a. von humanen Tumoren, ist speziell auch für eine hochsensitive, quantitative Früherkennung einer Vielzahl von präkanzerosen/dysplastischen Veränderungen geeignet und nutzt dabei beispielsweise den Unterschied im Porphyrinstoffwechsel bei Zellen in dysplastischem/tumorösem Gewebe im Vergleich zu Zellen im normalen Gewebe. Das erfindungsgemäße System gestattet weiterhin ein sehr vereinfachtes Arbeiten bei hoher Sensitivität und eindeutigen Ergebnissen. The system according to the invention is used for the visualization of fluorescent dyes Fluorescence diagnostics u. a. of human tumors, is also special for one highly sensitive, quantitative early detection of a variety of precancerous / dysplastic changes and uses it, for example the difference in porphyrin metabolism in cells in dysplastic / tumorous Tissue compared to cells in normal tissue. The system according to the invention still allows a very simplified work with high sensitivity and clear results.

Als Fluoreszenzfarbstoffe eignen sich u. a. Fluorophore, die Licht im sichtbaren Spektralbereich oder nahen Infrarotbereich absorbieren und Licht im nahen Infrarotbereich emittieren. Zu diesen Fluorophoren zählen insbesondere auch exogene Farbstoffe, d. h. von außen in das Gewebe eingebrachte Farbstoffe, wie z. B. Indocyaningrün und verschiedene Porphycene, aber auch endogene Farbstoffe, d. h. im Gewebe erzeugte Farbstoffe, wie z. B. 5-Aminolävulinsäure induzierte Porphyrine (insbesondere Protoporphyrin IX) usw. As fluorescent dyes are u. a. Fluorophores, the light in the visible Absorb spectral range or near infrared range and light in the near range Emit infrared range. These fluorophores in particular also include exogenous ones Dyes, d. H. dyes introduced into the fabric from the outside, such as e.g. B. Indocyanine green and various porphycenes, but also endogenous dyes, i.e. H. in the Fabric-generated dyes, such as. B. 5-aminolevulinic acid induced porphyrins (especially protoporphyrin IX) etc.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen: The invention is described below with reference to the figures using an exemplary embodiment explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Systems für die Fluoreszenzdiagnostik von humanen Tumoren gemäß der Erfindung; Figure 1 is a schematic representation of a system for the fluorescence diagnosis of human tumors according to the invention.

Fig. 2 der spektrale Bereich der Absorption bzw. der Emission bei Verwendung von Protoporphyrin IX. Fig. 2 shows the spectral range of absorption or emission when using protoporphyrin IX.

Das System 1 umfaßt u. a. ein digitales Kamerasystem 3 mit einem 3-CCD-Chip 4 (auch RGB-Chip) als optoelektrischen Bildwandler, eine erste Steuerelektronik 5 für das Kamerasystem 3 bzw. den 3-CCD-Chip 4, eine zweite Steuerelektronik 6 für eine gepulste Lichtquelle 7, die das Anregungslicht liefert und beispielsweise von wenigstens einer LED oder von einer Blitzlampe, z. B. Xenon-Hochdrucklampe, oder von einer Laserdiode oder Laserdiodenanordnung gebildet ist. The system 1 comprises, inter alia, a digital camera system 3 with a 3-CCD chip 4 (also an RGB chip) as an opto-electrical image converter, a first control electronics 5 for the camera system 3 or the 3-CCD chip 4 , a second control electronics 6 for a pulsed light source 7 , which supplies the excitation light and, for example, from at least one LED or from a flash lamp, for. B. Xenon high pressure lamp, or is formed by a laser diode or laser diode arrangement.

Wie die Fig. 2 zeigt, liegt bei Verwendung von Porphyrinen als Fluoreszenzfarbstoff die maximale Absorption für die Anregung im blauen Spektralbereich(ca. 400 nm- Bereich A) und die maximale Fluoreszenzemission im roten Spektralbereich (ca. 630 nm-Bereich B). As FIG. 2 shows, when using porphyrins as fluorescent dye, the maximum absorption for excitation lies in the blue spectral range (approx. 400 nm range A) and the maximum fluorescence emission in the red spectral range (approx. 630 nm range B).

Im Strahlengang bzw. in der optischen Achse des Kamerasystems 3 befindet sich ein Strahlteiler, der bei der dargestellten Ausführungsform von einem Tellerspiegel 8 gebildet ist und über den das von der Lichtquelle 7 gelieferte gepulste Anregungslicht in der optischen Achse des Kamerasystems 3 und durch die von einer Linse dargestellte Optik 9 dieses Systems auf das zu untersuchende Objekt oder Gewebeareal 2 aufgebracht wird. Der Strahlteiler 8 ist so ausgebildet und angeordnet, daß das Fluoreszenzbild von zu untersuchendem Gewebeareal 2 durch die Optik 9 und den Strahlteiler 8 hindurch auf den CCD-Chip auftrifft bzw. in der dortigen Bildebene abgebildet wird. Durch den Strahlteiler 8 wird auf diese Weise das Anregungslicht und das Fluoreszenzlicht getrennt. In the beam path or in the optical axis of the camera system 3 there is a beam splitter which, in the embodiment shown, is formed by a plate mirror 8 and via which the pulsed excitation light supplied by the light source 7 is in the optical axis of the camera system 3 and by one Optics 9 of this system shown in the lens is applied to the object or tissue area 2 to be examined. The beam splitter 8 is designed and arranged such that the fluorescence image of the tissue area 2 to be examined strikes the CCD chip through the optics 9 and the beam splitter 8 or is imaged in the image plane there. In this way, the excitation light and the fluorescent light are separated by the beam splitter 8 .

Der Videoausgang der Steuerelektronik ist mit einem Rechner 10 verbunden, dem ein Monitor 11 zur Visualisierung der vom Kamerasystem 3 gelieferten Bilder, nämlich des normalen Farbbildes (auch RGB-Bild) sowie des Fluoreszenzbildes des zu untersuchenden Objektes 2 zugeordnet ist und der u. a. auch die für die Bilddarstellung auf den Monitor 11 notwendigen Komponenten, insbesondere auch Bildspeicher enthält. Dem Rechner 10, der beispielsweise von einem PC gebildet ist, sind noch weitere, nicht dargestellte Komponenten zugeordnet, nämlich die übliche Tastatur sowie Laufwerke für Speichermedien, wie Disketten, Bänder, Daten-CDs usw. Weiterhin sind dem Rechner 10 beispielsweise auch Mittel zugeordnet, über die eine Verbindung zu Datennetzwerken bzw. ein Datenaustausch über solche Netzwerke möglich ist. The video output of the control electronics is connected to a computer 10 , to which a monitor 11 for visualizing the images supplied by the camera system 3 , namely the normal color image (also RGB image) and the fluorescence image of the object 2 to be examined is assigned, and which also includes those for the image display on the monitor 11 contains the necessary components, in particular also image memory. The computer 10 , which is formed, for example, by a PC, is also assigned further components, not shown, namely the usual keyboard and drives for storage media, such as floppy disks, tapes, data CDs, etc. Furthermore, the computer 10 is also assigned means, for example through which a connection to data networks or a data exchange via such networks is possible.

Die Steuerelektronik 5 weist u. a. auch einen Trigger-Ausgang auf, mit dem die Steuerelektronik 6 zur synchronen Ansteuerung der Lichtquelle 7 getriggert wird. Mit dem beschriebenen System 1 ist es somit möglich, über das Kamerasystem 3 bei Umgebungsbeleuchtung, beispielsweise durch Tageslicht oder nicht dargestellte Lampen ein Normalbild von dem zu untersuchenden Gewebeareal 2 zu erhalten sowie durch von der Steuerelektronik 5 gesteuerte Triggerung der Steuerelektronik 6 und damit der Lichtquelle 7 für das Anregungslicht auch ein kurzzeitiges Fluoreszenzlichtbild. Zur Erzeugung des Fluoreszenzlichtbildes werden von der Steuerelektronik 5 zum Zeitpunkt der Aktivierung der Lichtquelle 7 und damit der Fluoreszenz (Aktivierungs- und Fluoreszenz-Phase) nur diejenigen Bildsignale des Kamerasystems 3 ausgewertet, die in dem dem Spektralbereich der Fluoreszenz entsprechenden Kanal des CCD-Chip anstehen, d. h. beispielsweise bei Verwendung von Protoporphyrin als Fluoreszenzfarbstoff das Signal des R-Kanals (Kanal für das rote Farbsignal). The control electronics 5 also have , among other things, a trigger output with which the control electronics 6 is triggered for the synchronous control of the light source 7 . With the system 1 described , it is thus possible to obtain a normal image of the tissue area 2 to be examined via the camera system 3 in ambient lighting, for example by daylight or lamps not shown, and by triggering the control electronics 6 and thus the light source 7 controlled by the control electronics 5 a short-term fluorescent light image for the excitation light. To generate the fluorescent light image, only those image signals of the camera system 3 that are present in the channel of the CCD chip corresponding to the spectral range of the fluorescence are evaluated by the control electronics 5 at the time of activation of the light source 7 and thus the fluorescence (activation and fluorescence phase) , ie for example when using protoporphyrin as the fluorescent dye, the signal of the R channel (channel for the red color signal).

Durch eine entsprechend kurze Aufnahmezeit für die Fluoreszenzbilder kann das Umgebungslicht aus diesen Bildern soweit diskriminiert werden, daß das System bei ständigem Umgebungslicht, d. h. auch bei während der Anregungs- und Fluoreszenzphase vorhandenem Umgebungslicht eindeutig arbeitet. With a correspondingly short recording time for the fluorescence images, this can be done Ambient light from these images are discriminated to such an extent that the system at constant ambient light, d. H. also at during the excitation and Fluorescence phase of existing ambient light clearly works.

Weitere entscheidende Vorteile des Systems bestehen darin, daß das Fluoreszenzbild und das normale RGB-Bild des gesamten Beobachtungsareals 2 unmittelbar nacheinander detektiert, digitalisiert und in dem Rechner 10 verarbeitet werden, so daß die Möglichkeit besteht, beide Bilder unmittelbar nebeneinander oder aber auch übereinander am Monitor 11 darzustellen, so daß erkrankte Gewebeareale sich ohne Verlust an Information und Orientierung im RGB-Bild darstellen lassen. Further decisive advantages of the system are that the fluorescence image and the normal RGB image of the entire observation area 2 are detected, digitized and processed in the computer 10 in immediate succession, so that there is the possibility of viewing both images directly next to one another or else one above the other on the monitor 11 so that diseased tissue areas can be displayed in the RGB image without loss of information and orientation.

Mittels einer im Rechner 10 durchgeführten Schwellwertberechnung fassen sich zusätzlich auch Grenzen zwischen gesundem und erkranktem Gewebe deutlich hervorheben. Wichtige Bilder können im Rechner 10 oder in Speichermedien abgespeichert und mit Daten des jeweiligen Patienten aktiviert werden, beispielsweise für eine Kontrolle therapeutischer Maßnahmen und/oder des Krankheitsverlaufs. By means of a threshold value calculation carried out in the computer 10 , boundaries between healthy and diseased tissue can also be clearly emphasized. Important images can be stored in the computer 10 or in storage media and activated with data from the respective patient, for example for checking therapeutic measures and / or the course of the disease.

Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, daß zahlreiche Änderungen möglich sind, ohne daß dadurch der der Erfindung zugrundeliegende Erfindungsgedanke verlassen wird. So ist es beispielsweise auch möglich, die Lichtquelle 7 für das Anregungslicht so anzuordnen, daß dieses Licht nicht in den Strahlengang des Kamerasystems 3 eingeblendet wird, sondern außerhalb dieses Strahlungsganges auf das zu untersuchende Objekt 2 auftrifft. In diesem Fall ist dann im Strahlengang des Kamerasystems 3 anstelle des Strahlteilers 8 vorzugsweise ein Langpaßfilter (λ > 460 nm) vorgesehen, um das Fluoreszenzlicht vom Anregungslicht der Lichtquelle 7 zu trennen. The invention has been described above using an exemplary embodiment. It goes without saying that numerous changes are possible without departing from the inventive idea on which the invention is based. For example, it is also possible to arrange the light source 7 for the excitation light such that this light is not faded into the beam path of the camera system 3 , but strikes the object 2 to be examined outside this radiation path. In this case, the camera system 3 is then in the beam path instead of the beam splitter 8 is preferably a long-pass filter (λ> 460 nm) is provided to separate the fluorescence light from the excitation light of the light source. 7

Vorstehend wurde weiterhin davon ausgegangen, daß mit einem einzigen Kamerasystem 3 bzw. mit einem einzigen CCD-Chip (RGB-Chip) sowohl das normale RGB-Bild, als auch das Fluoreszenzbild generiert werden. Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, zwei Kamerasysteme oder aber ein Kamerasystem mit zwei CCD- Chips vorzusehen, von denen der eine Chip dann als 3-CCD-Chip für die Generierung des normalen RGB-Bildes bzw. der entsprechenden Bildsignale und der andere Chip als s/w-CCD-Chip zur Generierung des Fluoreszenz-Bildes bzw. des entsprechenden Signals ausgebildet sind. Die Steuerelektronik 5 weist in diesem Fall zwei Eingänge auf. Die Signale der beiden CCD-Chips werden dann jeweils nacheinander von der Steuerelektronik 5 erfaßt und hieraus die an den Rechner 10 weitergeleiteten Videobilder generiert. Bezugszeichenliste 1 System für die Fluoreszenzdiagnostik
2 Objekt bzw. Gewebe
3 Kamerasystem
4 3-CCD-Chip
5, 6 Steuerelektronik
7 Lichtquelle für Anregungslicht
8 Strahlteiler
9 Kameraoptik
10 Rechner
11 Monitor
It was further assumed above that both the normal RGB image and the fluorescence image are generated with a single camera system 3 or with a single CCD chip (RGB chip). Of course, there is the possibility of providing two camera systems or a camera system with two CCD chips, one of which is then used as a 3-CCD chip for generating the normal RGB image or the corresponding image signals and the other chip as s / w-CCD chip are designed to generate the fluorescence image or the corresponding signal. The control electronics 5 in this case has two inputs. The signals of the two CCD chips are then recorded one after the other by the control electronics 5 and from this the video images forwarded to the computer 10 are generated. REFERENCE SIGNS LIST 1 System for fluorescence diagnostics
2 object or tissue
3 camera system
4 3-CCD chip
5 , 6 control electronics
7 light source for excitation light
8 beam splitters
9 camera optics
10 computers
11 monitor

Claims

1. System for the fluorescence diagnostics of organs or tissues, with at least one light source ( 7 ) for applying an excitation light to an observation area ( 2 ) and with an optical detector for a fluorescence that is generated due to the excitation light by a fluorescent dye present in the tissue, characterized in that the optical detector is formed by at least one camera system ( 3 ) for generating a normal image and a fluorescence image of the observation area ( 2 ), and in that the at least one light source ( 7 ) is a pulsed light source.

2. System according to claim 1, characterized in that with the at least one camera system ( 3 ) or with at least one optoelectric image converter ( 4 ) of the camera system ( 3 ) the normal image and the fluorescence image of the observation area ( 2 ) are generated one after the other in time, namely during an excitation and fluorescence phase in which the at least one light source ( 7 ) is activated to emit the excitation light, the fluorescence image and outside the excitation and fluorescence phase the normal image.

3. System according to claim 1 or 2, characterized in that at least two camera systems and / or at least two optoelectric image converters ( 4 ) are provided, namely a camera system or an optoelectric image converter ( 4 ) for generating the normal image of the tissue area and a camera system or an optoelectric image converter ( 4 ) for the fluorescence image.

4. System according to any one of the preceding claims, characterized by a first control electronics ( 5 ) for the at least one camera system ( 3 ) or the at least one optoelectric image converter ( 4 ).

5. System according to claim 4, characterized in that the control electronics of the at least one camera system ( 3 ) or the at least one optoelectric image converter ( 4 ) image signals supplied as image signals of the normal image or as image signals of the fluorescent image synchronously with the activation of the at least one Receives light source ( 7 ) and generates images for further image processing and / or processing.

6. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one camera system ( 3 ) has an optoelectric image converter ( 4 ) with an RGB output, and that the first control electronics ( 5 ) for generating the fluorescence image only evaluates image signals which rest on the output of the optoelectric image converter ( 4 ) corresponding to the spectral range of the fluorescence image.

7. System according to any one of the preceding claims, characterized by a second control electronics ( 6 ) for the at least one light source ( 7 ).

8. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one light source ( 7 ) for the excitation light and / or the second control electronics ( 6 ) are triggered by the first control electronics ( 5 ).

9. System according to one of the preceding claims, characterized by means ( 8 ) for coupling the excitation light of the at least one pulsed light source ( 7 ) into the beam path or into the optical axis of the at least one camera system ( 3 ).

10. System according to claim 9, characterized in that the means of at least one divider mirror ( 8 ) are formed.

11. System according to any one of the preceding claims, characterized by at least one filter in the beam path of the at least one camera system Filtering out the excitation light.

12. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one optoelectric image converter ( 4 ) is a CCD chip.

13. System according to any one of the preceding claims, characterized in that to generate the fluorescence image the control electronics the signal of the R- Evaluates the channel of the optoelectric image converter.

14. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the spectrum of the light from the pulsed light source in the visible spectral range and / or in the infrared range and / or in the UV range.