DE10202050A1

DE10202050A1 - Optisches Bildgebungsverfahren und Vorrichtung zur optischen Bildgebung

Info

Publication number: DE10202050A1
Application number: DE10202050A
Authority: DE
Inventors: Frank Arndt; Arne Hengerer; Thomas Mertelmeier; Marcus Pfister
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2002-01-18
Filing date: 2002-01-18
Publication date: 2003-07-31
Also published as: JP2003232736A; US20040081621A1

Abstract

Bei einem Bildgebungsverfahren, insbesondere für die Kleintier-Bildgebung, wird ein zu untersuchendes Objekt (3) mit einem optisch aktivierbaren Kontrastmittel versetzt, mittels mehrerer LEDs beleuchtet und von der Bestrahlung angeregtes Lumineszenzlicht (L) von einem Detektor (27) erfasst. Die LEDs (D1, D2, ..., D12) weisen vorzugsweise voneinander unterschiedliche Emissionswellenlängen auf. Vorzugsweise sind unterschiedliche Spektralfilterkombinationen (K1, K2, K3) vorhanden, die in baulicher Einheit jeweils einen Anregungsfilter (15) zur Selektion einer Anregungswellenlänge aus der von der Anregungsquelle (9) abgegebenen Strahlung (S) und einen Lumineszenzfilter (23) zum Ausfiltern von Wellenlängen abseits des erwarteten Emissionsmaximums des Lumineszenzlichts (L) umfassen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Bildgebungsverfahren, insbesondere für die Kleintierbildgebung, wobei ein zu untersuchendes Objekt mit einem optisch aktivierbaren Kontrastmittel versetzt wird, das, insbesondere lebende, zu untersuchende Objekt von einer Anregungsquelle bestrahlt wird, und bei dem von der Bestrahlung angeregtes Lumineszenzlicht von einem Detektor erfasst wird.
Die Erfindung betrifft auch Vorrichtungen zur optischen Bildgebung, insbesondere für die Kleintierbildgebung und/oder zur Verwendung in einem Bildgebungsverfahren, mit einer Anregungsquelle zur Bestrahlung eines, insbesondere lebenden, zu untersuchenden Objekts, das mit einem optisch aktivierbaren Kontrastmittel versetzt ist, und mit einem Detektor zur Erfassung von Lumineszenzlicht, das von der Anregungsquelle angeregt wurde.
Optische Bildgebungsverfahren unter Verwendung von Kontrastmitteln, die insbesondere im nahen Infrarot-Spektralbereich fluoreszieren, erlauben Untersuchungen am lebenden Kleintier oder im Menschen. Bei der sogenannten "Kleintierbildgebung" werden sie neben Verfahren der Magnetresonanz, Verfahren der Computertomographie oder nuklearmedizinischen Methoden, zur biologischen, medizinischen und pharmazeutischen Forschung eingesetzt. Sie dienen in der Pharmaindustrie zunehmend als Untersuchungsverfahren bei der Entdeckung und Entwicklung von Medikamenten und Wirkstoffen.
Lumineszenzbasierte optische Bildgebungsverfahren sind beispielsweise beschrieben US 5,650,135, EP 0 416 931 A2, US 6,159,445 sowie in einem Fachartikel von Umar Mahmood et al., "Near-Infrared Optical Imaging of Protease Activity for Tumor Detection", Vol. 213, 1999, Seiten 866-870. Bei diesen Verfahren wird dem zu untersuchenden Objekt vor der eigentlichen Bildgebungsphase ein optisch aktivierbares Kontrastmittel injiziert. Ein solches Kontrastmittel setzt sich beispielsweise aus einem biologischen Makromolekül, etwa einem Antikörper oder einem Peptid, mit einer hohen Affinität zu der zu untersuchenden Zielstruktur, sowie aus einem Fluoreszenzfarbstoff zusammen. Das Makromolekül dient hierbei als sogenannte "metabolische Markierung", die bewirkt, dass sich das insgesamt auch als metabolischer Marker bezeichnete Kontrastmittel entweder ausschließlich in bestimmten Regionen, z. B. Tumoren, Entzündungen oder anderen bestimmten Krankheitsherden, anreichert, oder, falls sich das Kontrastmittel zwar überall im Körper verteilt, dass es aber nur speziell in bestimmten Regionen, z. B. durch bestimmte Stoffwechselfunktionen oder Enzymaktivitäten, aktiviert werden kann. Im letztgenannten Fall ist das Kontrastmittel z. B. im gesunden Gewebe inert und wird erst im zu detektierenden Zielgewebe, beispielsweise einem Tumor, durch krankheitskorrelierte Stoffwechselaktivitäten aktiviert, das heißt, in einen fluoreszenten Zustand überführt. Dadurch sind im Wesentlichen funktionale Informationen der so markierten Zentren, das heißt des Zielgebiets, erfassbar. Das Beobachten der Entwicklung und zeitlichen Veränderung eines solchen Zielgebiets, z. B. unter Gabe eines zu erprobenden Medikaments, läßt Rückschlüsse über die Wirksamkeit und Effizienz des Medikaments zu.
Die optische Fluoreszenzbildgebung setzt also ein selektiv fluoreszentes Kontrastmittel voraus und unterscheidet sich somit hinsichtlich der physikalischen Wirkmechanismen grundsätzlich von optischen Bildgebungsverfahren, welche die Absorption oder Streuung des in das Objekt eingebrachten Lichts ausnutzen. Ein solches absorptionsbasiertes optisches Untersuchungsverfahren ist beispielsweise in DE 43 27 798 A1 beschrieben.
Bei der optischen Fluoreszenzbildgebung, wie sie beispielsweise in US 5,650,135, EP 0 416 931 A2 oder in dem oben genannten Fachartikel von Umar Mahmood et al. beschrieben sind, nutzen zur optischen Anregung des Kontrastmittels im Untersuchungsobjekt eine Anregungsquelle, welche beispielsweise im nahen Infrarot-Spektralbereich emittiert. Die vom Objekt zurückkommende Lumineszenz- oder Fluoreszenz-Strahlung wird von einem bildgebenden optischen Detektor, beispielsweise einem Photodiodenarray oder einem CCD-Detektor, erfasst. Die Anregungsquelle und der Detektor werden hierzu in einem lichtdichten Gehäuse untergebracht. Als Anregungsquelle wird in dem Fachartikel von Mahmood et al. eine Halogenlampe mit nachgeschaltetem Bandpaßfilter offenbart. Eine solche Halogenlampe hat in nachteiliger Weise eine sehr hohe Leistungsaufnahme, die im Regelfall eine gesonderte aktive Kühlung erfordert. Die Verwendung von Halogenlampen ist daher aufwendig. Dies gilt auch für die sonst übliche Verwendung von Anregungslasern, wie sie beispielsweise in US 5,650,135 vorgeschlagen ist. Laser und Halogenlampen werden verwendet, weil sich damit hohe Lichtintensitäten erzeugen lassen, die erforderlich sind, um die im allgemeinen signalschwache Lumineszenzuntersuchung durchführen zu können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bildgebungsverfahren und eine Bildgebungsvorrichtung anzugeben, die mit geringerem Aufwand bei der Erzeugung des zur Anregung des Lumineszenzlichts erforderlichen Strahlung auskommen und dennoch ausreichend Bestrahlungsintensität für die gewünschte Lumineszenzuntersuchung zur Verfügung stellt.
Die verfahrensbezogene Aufgabe wird bezogen auf das eingangs genannte Bildgebungsverfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass als Anregungsquelle eine Beleuchtungseinheit umfassend mehrere LED's verwendet wird. Dabei steht die Abkürzung "LED" für "Light Emitting Diode", also für ein diodenbasiertes, beispielsweise aus Halbleitermaterialien gefertigtes lichtemittierendes Bauteil, unabhängig davon, ob das aktive Medium - wie bei einem herkömmlichen Gas- oder Festkörperlaser - in einen Resonator eingebunden ist oder ob es sich nur um eine konventionelle Leuchtdiode handelt.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die mit mehreren LED's erzeugbare Lichtleistung genügt, um ein eingangs beschriebenes optisches Fluoreszenzbildgebungsverfahren durchzuführen. Dennoch ist bei LED's in vorteilhafter Weise nur von einer vergleichsweise geringen Leistungsaufnahme auszugehen.
Nach einer besonders bevorzugten Weiterbildung werden LED's mit voneinander unterschiedlichen Emissionswellenlängen verwendet. Dies sind beispielsweise LED's, deren Maxima der Emissionsspektra voneinander unterschiedlich sind. Die Halbwertsbreiten der Emissionsspektra sind vorzugsweise größer als 30 nm, insbesondere größer als 60 nm.
Vorzugsweise werden zu jeder verwendeten Emissionswellenlänge mehrere identische LED's eingesetzt, so dass durch Zu- oder Abschalten einzelner LED's die Lichtleistung bei einer bestimmten Wellenlänge einfach variierbar ist.
Mit besonderem Vorteil werden solche LED's verwendet, deren Emissionswellenlängen an die für mehrere verschiedene Kontrastmittel gewünschten Anregungswellenlängen angepasst sind. Dadurch kann in einfacher Weise von der Untersuchung eines Kontrastmittels zur Untersuchung eines anderen Kontrastmittels gewechselt werden, ohne große apparative Veränderungen vornehmen zu müssen. Es können nämlich durch selektive Ansteuerung der LED's nur diejenigen LED's aktiviert werden, welche für ein bestimmtes Kontrastmittel angepasst sind. Die anderen LED's werden dann abgeschaltet.
Die Verwendung von LED's mit voneinander unterschiedlichen Emissionswellenlängen ist somit erheblich vorteilhafter als die Verwendung eines herkömmlichen Lasers, der spektral sehr eng nur bei einer oder bei einigen wenigen, nicht in einfacher Weise steuerbaren Wellenlängen emittiert. Es müssten nämlich entweder mehrere Laser verwendet werden oder aber ein sehr teurer, durchstimmbarer Laser. Demgegenüber geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass LED's hoher Leistung in nahezu jeder Wellenlänge des sichtbaren und teilweise auch des infraroten Lichts designbar sind.
Nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung werden solche LED's verwendet, deren Emissionsspektra in Kombination ein quasi kontinuierliches Emissionsband ergeben.
Zum Selektieren einer Anregungswellenlänge aus dem Emissionsband wird insbesondere eine in den Anregungsstrahlengang einbringbare Filteranordnung verwendet, deren spektrale Eigenschaften an das gewünschte Kontrastmittel angepasst sind.
Eine solche Vorgehensweise hat bezüglich der Lichterzeugung mit einer Halogenlampe - neben dem bereits genannten Vorteil der geringeren Leistungsaufnahme - in spektraler Hinsicht auch noch den Vorteil, dass die notwendigen Filter nur geringe Anforderungen erfüllen müssen, weil die verwendeten LED's nicht über einen derart großen Spektralbereich emittieren wie eine Halogenlampe. Insbesondere muss die Unterdrückung in den spektralen Randbereichen des Filters nicht so groß sein. Mit anderen Worten: Durch wahlweises Zuschalten der jeweiligen LED's ist eine spektrale Vorauswahl treffbar.
Eine andere vorzugsweise Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass von den LED's abgestrahltes Licht über jeweils einen zugeordneten Lichtleiter zum Objekt geführt wird.
Vorzugsweise werden die LED's in arrayartiger Anordnung verwendet. In dem Array sind sie insbesondere in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet.
Insbesondere für den Fall, dass das von den LED's abgestrahlte Licht "direkt", das heißt ohne Verwendung von Lichtweichen, Lichtleitern und/oder Linsen, auf das zu untersuchende Objekt gebracht wird, ist es von Vorteil, dass den LED's ein Diffusor nachgeschaltet ist, um eine bessere homogene Verteilung der Wellenlängen über das von der Gesamtheit der LED's abgestrahlte Strahlenbündel zu erreichen.
Die vorrichtungsbezogene Aufgabe wird bezogen auf die eingangs genannte Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform dadurch gelöst, dass die Anregungsquelle mehrere LED's umfasst.
Die Vorrichtung wird bevorzugt bei einem Verfahren nach der Erfindung verwendet. Die bezüglich des Verfahrens genannten Vorteile und Ausgestaltungen gelten für die Vorrichtung analog.
Vorzugsweise weisen die LED's voneinander unterschiedliche Emissionswellenlängen auf.
Insbesondere ergeben die Emissionsspektra der LED's in Kombination ein quasi kontinuierliches Emissionsband.
Im Rahmen der Erfindung liegt auch noch eine Vorrichtung zur optischen Bildgebung in einer zweiten Ausführungsform. Diese beruht auf der Erkenntnis, dass die eingangs genannte Vorrichtung bei Verwendung einer speziellen Filteranordnung besonders vorteilhaft ist, speziell falls bei dem Bildgebungsverfahren solche LED's verwendet werden, deren Emissionsspektra in Kombination ein quasi kontinuierliches Emissionsband ergeben. Diese spezielle Filteranordnung weist in baulicher Einheit eine Spektralfilterkombination wie folgt auf:

a) einen Anregungsfilter zur Selektion einer Anregungswellenlänge aus der von der Anregungsquelle abgegebenen Strahlung, und
b) einen Lumineszenzfilter zum Ausfiltern von Wellenlängen abseits des erwarteten Emissionsmaximums des Lumineszenzlichts.

Eine solche Vorrichtung ist besonders einfach bedienbar, weil die beiden Spektralfilter als für ein bestimmtes Kontrastmittel vorgesehene Einheit vorhanden sind, beispielsweise in den Strahlengang einbringbar oder aus diesem herausnehmbar sind.
Insbesondere sind der Anregungsfilter und der Lumineszenzfilter an oder auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. An dem Träger kann ein Handgriff angebracht sein. Die Träger tragen beispielsweise Aufschriften, welche auf das Kontrastmittel hinweisen, für welches der Anregungsfilter und der Lumineszenzfilter hergerichtet sind.
In bevorzugter Weiterbildung weist die Filteranordnung ein Filterrad zum Wechseln von einer Spektralfilterkombination zu einer anderen Spektralfilterkombination auf, das derart ausgebildet ist, dass bei unterschiedlichen Winkelstellungen unterschiedliche Spektralfilterkombinationen zum Einsatz kommen. So wie bei einem Träger mit Handgriff durch einen einzigen Bedienvorgang gleichzeitig zwei zusammengehörige Spektralfilter in den Strahlengang einbringbar oder aus diesem herausnehmbar sind, so ist bei dem Filterrad durch nur einen einzigen Ansteuerbefehl, beispielsweise ausgelöst von einem Computer, die Vorrichtung für ein anderes Kontrastmittel herrichtbar.
Die unterschiedlichen an dem Filterrad angebrachten Spektralfilterkombinationen bilden einen Satz aus mehreren Spektralfilterkombinationen, der ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist. Die einzelnen Spektralfilterkombinationen sind für voneinander unterschiedliche Kontrastmittel hergerichtet, wobei jede der Spektralfilterkombinationen einen Anregungsfilter zur Selektion einer für das jeweilige Kontrastmittel günstigen Anregungswellenlänge aus der von einer Anregungsquelle abgegebenen Strahlung umfasst sowie einen Lumineszenzfilter zum Ausfiltern von Wellenlängen abseits des erwarteten Emissionsmaximums des von dem Kontrastmittel ausgesendeten Lumineszenzlichts.
Vorzugsweise sind der Anregungsfilter und der Lumineszenzfilter einer der Spektralfilterkombinationen jeweils an oder auf einem gemeinsamen Träger angeordnet. Die einzelnen Träger sind beispielsweise jeweils mit einem Handgriff ausgestattet und/oder in einer Aufbewahrungsbox untergebracht, aus der sie vom Bedienpersonal nach Bedarf herausnehmbar sind.
Vier Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung nach der Erfindung werden nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 10 näher erläutert. Die Figuren dienen auch der Veranschaulichung des Bildgebungsverfahrens nach der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine optische Bildgebungsvorrichtung nach der Erfindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Bildgebungsvorrichtung der Fig. 1 entlang der Linie II/II,
Fig. 3 eine bei der Bildgebungsvorrichtung der Fig. 1 verwendete Filteranordnung,
Fig. 4 eine Variante zur Filteranordnung der Fig. 3 unter Verwendung eines Filterrads,
Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 6 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung nach der Erfindung,
Fig. 7 ein Satz mit mehreren Spektralfilterkombinationen nach der Erfindung,
Fig. 8 ein viertes Ausführungsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung nach der Erfindung, wobei nur die bezüglich der Fig. 1 unterschiedliche Anordnung von Anregungsquelle und Detektor dargestellt ist,
Fig. 9 eine alternative, an das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 angepasste Ausführung einer Filteranordnung nach der Erfindung, und
Fig. 10 ein Beispiel für ein bei einer Bildgebungsvorrichtung nach der Erfindung zur Anwendung kommendes Emissionsspektrum.
Fig. 1 zeigt eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Bildgebungsverfahrens geeignete Vorrichtung 1 zur optischen Bildgebung an einem Objekt 3, hier ein Kleintier, und zwar eine Maus. Vor dem in Fig. 1 dargestellten eigentlichen Bildgebungsschritt wurde der Maus, die beispielsweise ein sichtbar zu machendes Mamma-Karzinom aufweist, ein Kontrastmittel verabreicht. Dabei handelt es sich um eine spezielle Substanz, einen sogenannten "metabolischen Marker", der sich entweder ausschließlich in einer bestimmten Region (z. B. Tumore, Entzündungen oder andere bestimmte Krankheitsherde) anreichert oder der sich zwar überall im Körper verteilt, aber nur in speziellen Regionen, z. B. durch bestimmte Enzymaktivitäten, aktiviert wird.
Die verwendeten fluoreszierenden Marker sind sehr spezifisch, d. h., bestimmte Marker interagieren nur mit einer bestimmten Tumorart. Es ist auch möglich, Marker für spezielle Anwendungen zu designen. Die verschiedenen Marker haben unterschiedliche optische Eigenschaften, wie Anregungs- und Emissionswellenlängen, und müssen daher unterschiedlich gehandhabt werden. Die nachfolgende Tabelle zeigt einige der gebräuchlichsten Fluoreszenzfarbstoffe mit den entsprechenden Anregungs- und Emissionswellenlängen:
Zur Durchführung des eigentlichen bildgebenden Verfahrensschritts wird das derart mit einem Marker versetzte Objekt 3 über eine Klappe 7 in ein lichtdichtes Gehäuse 5 gebracht. In der linken oberen Teilkammer dieses Gehäuses 5 ist als Anregungsquelle 9 ein Array von LEDs oder Leuchtdioden D1, D2, . . ., D12 angeordnet, das über eine elektrische Leitung 11 von einem nicht dargestellten Netzteil versorgt wird. In Ausbreitungsrichtung der von den Dioden D1, D2, . . ., D12 emittierten Strahlung S ist ein Diffusor 13 nachgeschaltet, der einer räumlichen Mischung der von den Dioden D1, D2, . . ., D12 emittierten unterschiedlichen Wellenlängen dient. Unmittelbar danach trifft die Strahlung S auf einen Anregungsfilter 15 zur Selektion einer Anregungswellenlänge aus der von der Anregungswellenlänge 9 abgegebenen Strahlung S. Der Anregungsfilter 15 ist Teil einer Filteranordnung 17, die auch detektionsseitig eine Rolle spielt, was weiter unten erläutert wird.
Die den Anregungsfilter 15 passierende Strahlung S wird von einem Kondensor 19 auf den gewünschten Untersuchungsbereich der Maus projiziert. Von der Bestrahlung im Objekt 3 angeregtes Lumineszenzlicht L gelangt zu einer Linse 21 der Vorrichtung 1, die seitlich neben dem Kondensor 19 angeordnet ist. Anschließend passiert das Lumineszenzlicht L einen Lumineszenzfilter 23, der in baulicher Einheit mit dem Anregungsfilter 15 steht und mit diesem zusammen die Filteranordnung 17 bildet. Der Lumineszenzfilter 23 dient dem Ausfiltern oder Unterdrücken von Wellenlängen abseits des erwarteten Emissionsmaximums des Lumineszenzlichts L.
Die Vorrichtung 1 umfasst außerdem einen Detektor 27 zur Erfassung des Lumineszenzlichts L mit vorgeschaltetem Objektiv 25. Die von dem Detektor 27 erzeugten elektrischen Signale werden über eine Leitung 29 einem nicht gesondert dargestellten Bildverarbeitungssystem zugeführt, auf dessen Bildschirm ein Abbild des Untersuchungsbereichs der Maus 3 sichtbar wird, wobei die mit dem selektiven Kontrastmittel markierten, insbesondere mit Karzinomen belegten Bereiche gut sichtbar sind. Der Detektor 27 ist in einer rechten oberen Kammer des Gehäuses 5 angeordnet, die durch eine streulichtabschirmende Wand von der Anregungsquelle 9 getrennt ist.
Die Emissionswellenlängen der LEDs D1, D2, . . ., D12 der Anregungsquelle 9 sind voneinander unterschiedlich.
Gemäß einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Anregungsquelle 9 beispielsweise insgesamt 9 LEDs, die gemäß einer 3 × 3-Matrix angeordnet sind. Die erste Spalte umfasst drei bei 600 nm emittierende LEDs, die mittlere Spalte drei bei 650 nm emittierende LEDs und die rechte Spalte drei bei 675 nm emittierende LEDs.
Die optische Ausgangsleitung der LEDs liegt im Bereich 5-10 mW. Es sind auch LEDs verwendbar, die im NIR mit einer Leistung von bis zu 1 W emittieren.
Eine alternative Ausgestaltung der Anregungsquelle 9 ist aus der Querschnittsdarstellung der Fig. 2 ersichtlich. In diesem Ausführungsbeispiel sind mehrere Diodengruppen array- oder matrixartig angeordnet. Jede Zeile und jede Spalte umfasst mehrere Diodengruppen, die vorzugsweise einander gleichen. Jede Diodengruppe umfasst mehrere, vorzugsweise jeweils gleiche Leuchtdioden mit voneinander unterschiedlichen Emissionswellenlängen. Im dargestellten Beispiel weist die Anregungsquelle 9 6 × 4, also insgesamt 24 Diodengruppen auf. Jede der vier Spalten umfasst sechs Diodengruppen, die ihrerseits wiederum jeweils sechs unterschiedliche LEDs aufweisen. Die Anordnung der LEDs D1, D2, . . ., D12 ist lückenlos. Eine der Diodengruppen - umfassend sechs bei jeweils unterschiedlichen Emissionswellenlängen emittierende Dioden D1, D2, D3, D13, D14, D15 - ist exemplarisch bezeichnet.
Die LEDs hoher Leistung haben eine spektrale Halbwertsbreite von ca. 40 nm. Da sie unterschiedliche Wellenlängenmaxima aufweisen und in unmittelbarer Nähe zueinander gleichzeitig betreibbar sind, ist es möglich, die Gauss-Verteilungen ihrer einzelnen Emissionsspektren zu einem Gesamtspektrum zu addieren. Dies ist in Fig. 10 veranschaulicht, in der die Verläufe der Intensität I der einzelnen LEDs über der Wellenlänge λ aufgetragen sind. Dabei ist von sechs um jeweils 10 nm verschobenen Gauss-Verteilungen mit Halbwertsbreiten von 40 nm ausgegangen, wodurch sich ein fast kontinuierliches Spektrum im Bereich von 745 nm bis 805 nm erzeugen läßt. Bei Verwendung von LEDs mit größeren Halbwertsbreiten ist eine geringere Anzahl von LEDs nötig oder es ist bei gleichbleibender Anzahl ein noch kontinuierlicheres oder breiteres Spektrum erzeugbar.
In Fig. 3 ist die Filteranordnung 17 der Vorrichtung 1 im Detail und im ausgebauten Zustand näher dargestellt. Die Filteranordnung 17 weist einen Träger 31 mit einem Handgriff 33 auf. An dem Träger 31 ist sowohl der Anregungsfilter 17 als auch der Lumineszenzfilter 23, und zwar nebeneinander, angebracht. Der Träger 31 ist mittels des Handgriffs 33 in eine Öffnung des Gehäuses 5 einsteckbar. Der Träger 31 trägt eine Aufschrift oder einen Hinweis auf einen spezifischen Marker bzw. dessen optische Eigenschaften, auf welche(n) die Filteranordnung 17 abgestimmt ist. Durch Einstecken unterschiedlicher Filteranordnungen 17 ist somit in einfacher Weise von einer Untersuchung mit einem Kontrastmittel zu einer Untersuchung mit einem anderen Kontrastmittel wechselbar. Dabei kann jede der Filteranordnungen 17 als zweiteiliger Einsteckfilter aufgefasst werden, dessen erster Teil über den Anregungsfilter 15 die gewünschte Anregungswellenlänge, und dessen anderer Teil über den Lumineszenzfilter 23 eine erwartete Emissionswellenlänge passieren läßt. Die Filter 15, 23 sind jeweils als Interferenzfilter ausgeführt.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel kann so aufgefasst werden, dass mehrere Filteranordnungen 17 mit voneinander unterschiedlichen Anregungsfiltern 15 und Lumineszenzfiltern 23 als Filterrad 37 ausgeführt sind. Mehrere Spektralfilterkombinationen K1 (siehe auch Fig. 3), K2, K3 sind derart sternförmig an einem Drehkörper 39 angeordnet, dass bei unterschiedlichen Winkelstellungen des Drehkörpers 39 unterschiedliche Spektralfilterkombinationen K1, K2, K3 zum Einsatz kommen. Jede der Spektralfilterkombinationen K1, K2, K3 umfasst in baulicher Einheit eine andere Kombination jeweils aus einem Anregungsfilter 15 und einem Lumineszenzfilter 23. Das Filterrad 37 kann in einen von außerhalb des Gehäuses 5 zugänglichen Freiraum derart eingreifen, dass Anregungsfilter 15 und Lumineszenzfilter 23 wie in Fig. 1 dargestellt positioniert werden können.
Das Filterrad 37 ist hinsichtlich einer Drehbewegung von einem Computer 41 ansteuerbar. Das Auswechseln der Spektralfilterkombinationen K1, K2, K3, also das Anpassen des Systems auf verschiedene Marker, geschieht durch einfaches Drehen des Filterrads 37. Dies kann auch manuell geschehen. Bei Verwendung des dargestellten Computers 41 ist es vorteilhaft, dass im Falle, dass Tierexperimente bzw. ein Protokoll für die Experimente mit einem bestimmten Tier in einer Datenbank abgelegt werden, der Computer 41 anhand der Datenbankinformation eines Experiments oder Tieres, die den verwendeten Marker enthält, die jeweils notwendige Spektralfilterkombination K1, K2, K3 direkt und insbesondere ohne speziellen Benutzereingriff auswählt.
Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung 1 nach der Erfindung wird die Strahlung S im Gegensatz zur Fig. 1 mittels optischer Wellenleiter zum Objekt 3 gebracht. Hierzu ist jeder Diode D1, D2, . . ., D12 ein gesonderter Lichtleiter 45 zugeordnet, der das von der jeweiligen Diode D1, D2, . . ., D12 ausgehende Licht aufnimmt und einer Weiche oder einem ersten Koppler 47 zuführt. Derart gesammelt passiert das Licht den Anregungsfilter 15, um von einem nachgeschalteten zweiten Koppler 49 und einer Lichtfaser 50 zu einer objektnahen Linse 51 geleitet zu werden. Von dort gelangt das Licht oder die Strahlung S auf das Objekt 3. Im Übrigen ist das Ausführungsbeispiel der Fig. 5 mit dem gemäß Fig. 1 identisch. Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel kann das LED-Array auch außerhalb des lichtdichten Gehäuses 5 plaziert sein.
Wie bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel kann auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 (und dem gemäß der nachfolgenden Fig. 6) durch Zu- oder Abschalten einzelner LEDs, von denen zu jeder verwendeten Emissionswellenlänge mehrere vorhanden sind, die Leistung des Gesamt-Arrays, also der Anregungsquelle 9, an den Fluoreszenzfarbstoff und/oder an den zu untersuchenden Organismus angepaßt werden.
Das in Fig. 6 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung nach der Erfindung ist weitgehend mit dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel identisch, wobei im Unterschied hierzu das durch den ersten Koppler 47 gesammelte Licht nicht durch eine Lichtfaser, sondern über eine nachgeschaltete Aufweitungslinse 52 - in zu Fig. 1 ähnlicher Vorgehensweise - auf das Objekt 3 projiziert wird.
Die Ausführungsbeispiele der Fig. 5 und 6 haben den Vorteil, dass die LEDs auch außerhalb des Gehäuses 5 angebracht und somit leicht ausgetauscht werden können, ohne das Gehäuse 5 der Vorrichtung 1 öffnen zu müssen.
In die Vorrichtungen 1 gemäß Fig. 1, 5 und 6 sind unterschiedliche Spektralfilterkombinationen K1, K2, K3 einschiebbar oder einsteckbar. Ein Satz 61 bestehend aus drei oder mehr solcher Spektralfilterkombinationen K1, K2, K3 ist in Fig. 7 veranschaulicht. Jede der Spektralfilterkombinationen K1, K2, K3 ist durch einen Träger 31, 53, 54 realisiert, auf dem jeweils ein Anregungsfilter 15, 56, 57 sowie jeweils ein Lumineszenzfilter 23, 58, 59 angeordnet ist. Die Träger 31, 53, 54 sind jeweils baugleich und in der Regel nur durch unterschiedliche Aufschriften und/oder Farbgebungen voneinander unterscheidbar und für eine Untersuchung mit einem bestimmten gewünschten Marker oder Kontrastmittel auswählbar.
Als Alternative zu der in Fig. 2 dargestellten relativen Anordnung der Anregungsquelle 9 und des Detektors 27 zueinander ist das in Fig. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Bildgebungsvorrichtung 1 nach der Erfindung zu verstehen, die lediglich hinsichtlich dieses Details dargestellt ist. In dieser Alternative ist das CCD-Kamera-Objektiv 25 in das LED- Array der Anregungsquelle 9 integriert.
Eine für diese Alternative hergerichtete Filteranordnung 17 ist in Fig. 9 dargestellt. Sie ist ebenfalls als Einsteckfilter ausgeführt, wobei hier jedoch die Teilung in einen inneren Bereich für den Lumineszenzfilter 23 (Emissionswellenlänge) und in einen umgebenden äußeren Bereich für den Anregungsfilter 15 (Anregungswellenlänge) erfolgt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee geht davon aus, bei der optischen, lumineszenzbasierten Bildgebung ein breites kontinuierliches Beleuchtungsspektrum einzusetzen, um aus diesem kontinuierlichen Spektrum durch Filter ausschließlich die dezidierte benötigte Anregungswellenlänge passieren zu lassen.
Mit den Bildgebungsvorrichtungen und dem Bildgebungsverfahren nach der Erfindung ist eine äußerst schnelle Durchführung von Versuchsreihen und Experimenten, insbesondere in der Pharmaindustrie während der Medikamenten-Entwicklung, möglich. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind flexibel und ohne größere technische Veränderungen zwischen den einzelnen Experimenten dazu geeignet, gängige Marker anzuregen und deren Emissionswellenlängen zu detektieren. Außerdem ist es ohne große technische und teuere Änderungen möglich, mit neu entwickelten Markern, die bislang unübliche optische Eigenschaften aufweisen, zu arbeiten.
Es ist möglich, bei Beleuchtung mit LEDs verschiedener Wellenlängen die Auswahl einer dezidierten Anregungswellenlänge aus dem entstehenden kontinuierlichen Beleuchtungsspektrum durch das einfache Vorschalten eines Filters in der gewünschten Anregungswellenlänge vor die Lichtquelle vorzunehmen. Entsprechendes gilt für die Auswahl einer Emissionswellenlänge durch Vorschalten eines Filters vor die Kamera. Imaging- Experimente mit verschiedenen Markern können damit einfach durch Austauschen der Filter vorbereitet werden. Zu neuen Markern muss anstatt einer neuen elektrooptischen Beleuchtungseinheit nur ein neuer Filter gefertigt werden.

Claims

1. Bildgebungsverfahren, insbesondere für die Kleintierbildgebung, wobei

a) ein zu untersuchendes Objekt (3) mit einem optisch aktivierbaren Kontrastmittel versetzt wird,

b) das, insbesondere lebende, zu untersuchende Objekt (3) von einer Anregungsquelle (9) bestrahlt wird,

c) von der Bestrahlung angeregtes Lumineszenzlicht (L) von einem Detektor (27) erfasst wird,

dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungsquelle (9) eine Beleuchtungseinheit umfassend mehrere LED's (D1, D2, . . ., D12) verwendet wird.

2. Bildgebungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass LED's (D1, D2, . . ., D12) mit voneinander unterschiedlichen Emissionswellenlängen verwendet werden.

3. Bildgebungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder verwendeten Emissionswellenlänge mehrere identische LED's (D1, D2, . . ., D12) eingesetzt werden.

4. Bildgebungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass solche LED's (D1, D2, . . ., D12) verwendet werden, deren Emissionswellenlängen an die für mehrere verschiedene Kontrastmittel gewünschten Anregungswellenlängen angepasst sind.

5. Bildgebungsverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass solche LED's (D1, D2, . . ., D12) verwendet werden, deren Emissionsspektra in Kombination ein quasi kontinuierliches Emissionsband ergeben.

6. Bildgebungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Selektieren einer Anregungswellenlänge aus dem Emissionsband eine in den Anregungsstrahlengang einbringbare Filteranordnung (17) verwendet wird, deren spektrale Eigenschaften an das Kontrastmittel angepasst sind.

7. Bildgebungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das von den LED's (D1, D2, . . ., D12) abgestrahlte Licht über jeweils einen zugeordneten Lichtleiter (45) zum Objekt geführt wird.

8. Bildgebungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die LED's (D1, D2, . . ., D12) in arrayartiger Anordnung verwendet werden.

9. Bildgebungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass den LED's (D1, D2, . . ., D12) ein Diffusor (13) nachgeschaltet ist.

10. Vorrichtung (1) zur optischen Bildgebung, insbesondere für die Kleintierbildgebung und/oder zur Verwendung in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit
einer Anregungsquelle (9) zur Bestrahlung eines, insbesondere lebenden, zu untersuchenden Objekts (3), das mit einem optisch aktivierbaren Kontrastmittel versetzt ist,
einem Detektor (27) zur Erfassung von Lumineszenzlicht (L), das von der Anregungsquelle (9) angeregt wurde, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregungsquelle (9) mehrere LED's (D1, D2, . . ., D12) umfasst.

11. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die LED's (D1, D2, . . ., D12) voneinander unterschiedliche Emissionswellenlängen aufweisen.

12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissionsspektra der LED's (D1, D2, . . ., D12) in Kombination ein quasi kontinuierliches Emissionsband ergeben.

13. Vorrichtung (1) zur optischen Bildgebung, insbesondere für die Kleintierbildgebung und/oder zur Verwendung in einem Verfahren nach Anspruch 6, mit
einer Anregungsquelle (9) zur Bestrahlung eines, insbesondere lebenden, zu untersuchenden Objekts (3), das mit einem optisch aktivierbaren Kontrastmittel versetzt ist,
einem Detektor (27) zur Erfassung von Lumineszenzlicht (L), das von der Anregungsquelle (9) angeregt wurde,
gekennzeichnet durch
eine Filteranordnung (17), die in baulicher Einheit eine Spektralfilterkombination (K1) wie folgt aufweist:

a) einen Anregungsfilter (15) zur Selektion einer Anregungswellenlänge aus der von der Anregungsquelle (9) abgegebenen Strahlung (S), und

b) einen Lumineszenzfilter (23) zum Ausfiltern von Wellenlängen abseits des erwarteten Emissionsmaximums des Lumineszenzlichts (L).

14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungsfilter (15) und der Lumineszenzfilter (23) an oder auf einem gemeinsamen Träger (31) angeordnet sind.

15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranordnung (17) ein Filterrad (37) zum Wechseln von einer Spektralfilterkombination (K1, K2, K3) zu einer anderen Spektralfilterkombination (K1, K2, K3) aufweist, das derart ausgebildet ist, dass bei unterschiedlichen Winkelstellungen unterschiedliche Spektralfilterkombinationen (K1, K2, K3) zum Einsatz kommen.

16. Satz (61) aus mehreren Spektralfilterkombinationen (K1, K2, K3), die für voneinander unterschiedliche Kontrastmittel hergerichtet sind, wobei jede der Spektralfilterkombinationen (K1, K2, K3) umfasst:

a) einen Anregungsfilter (15, 56, 57) zur Selektion einer für das jeweilige Kontrastmittel günstigen Anregungswellenlänge aus der von einer Anregungsquelle (9) abgegebenen Strahlung (S), und

b) einen Lumineszenzfilter (23, 58, 59) zum Ausfiltern von Wellenlängen abseits des erwarteten Emissionsmaximums des von dem Kontrastmittel ausgesendeten Lumineszenzlichts (L).

17. Satz (61) nach Anspruch 16, wobei der Anregungsfilter (15, 56, 57) und der Lumineszenzfilter (23, 58, 59) einer der Spektralfilterkombinationen (K1, K2, K3) jeweils an oder auf einem gemeinsamen Träger (31, 53, 54) angeordnet sind.