DE69812886T2

DE69812886T2 - Optische messungen mit räumlicher auflösung

Info

Publication number: DE69812886T2
Application number: DE69812886T
Authority: DE
Inventors: Ze'ev Hed; Mark Modell
Original assignee: Medispectra Inc
Current assignee: Medispectra Inc
Priority date: 1997-01-13
Filing date: 1998-01-09
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2018-01-10
Also published as: EP0951643B1; ES2192320T3; US6104945A; EP1262763A3; CA2277095A1; EP1262763A2; JP3992113B2; WO1998030889A1; EP0951643A1; JP2001508340A; DE69812886D1; ATE236388T1; CA2277095C

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung sieht eine Vorrichtung und Verfahren zum Ableiten räumlich differenzierter analytischer Information von einer exponierten Oberfläche durch Analysieren der Ergebnisse der Interaktion von elektromagnetischer Strahlung mit diskreten Volumenelementen der Probe. Dies wird erreicht durch räumliches Begrenzen des Sondierungsstrahls auf ein kleines Volumenelement und Begrenzen der angenommenen Reaktion, die nur von dem gleichen Volumenelement erfasst wird, Abtasten der Probe bei verschiedenen Tiefen entlang der Achse des optischen Aufbaus, gebildet durch den Strahl, um die Interaktion von Volumenelementen bei den verschiedenen Tiefen zu bestimmen, und Sammeln derartiger Daten von einer Vielzahl von Punkten in einer Ebene, die im allgemeinen zu dem Sondierungsstrahl senkrecht ist.

Hintergrund der Erfindung

Es gibt einen wesentlichen Bedarf für ein Instrument, das rasche und automatische Diagnoseinformation vorgesehen wird, z. B. von krebsartigem und anderweitig erkranktem Gewebe. Insbesondere gibt es eine Notwendigkeit für ein Instrument, das das Ausmaß und die Stufe von krebsartigem Gewebe abbilden würde, ohne eine große Anzahl von Gewebeproben für nachfolgende Biopsien herausschneiden zu müssen. In der gegenwärtigen Technik beruht der medizinische Beruf im allgemeinen auf visueller Analyse und Biopsien, um spezifische Pathologien und Anomalien zu bestimmen. Ebenso werden verschiedene Formen biochemischer Abbildung verwendet. Es werden ebenso einzigartige optische Reaktionen von verschiedenen Pathologien bei Versuchen verwertet, biologisches Gewebe zu charakterisieren.
Diese Techniken des Stands der Technik enthalten jedoch einen gravierenden Nachteil, wie in der gemeinsam anhängigen Anmeldung Ser.-Nr. 08/510,041, eingereicht am T. August 1995, und 08/510,043, eingereicht am 1. August 1995, dokumentiert ist.
Zum Beispiel erfordert eine Durchführung einer Gewebebiopsie und eine Analyse des extrahierten Gewebes im Labor einen großen zeitlichen Aufwand. Außerdem können Gewebebiopsien das Gewebe nur basierend auf repräsentativen Proben charakterisieren, die dem Gewebe entnommen werden. Dies führt zu einer großen Anzahl von Resektionen, die routinemäßig durchgeführt werden, um eine Auswahl von Gewebe zu sammeln, das zu einer genauen Darstellung der Probe fähig ist. Außerdem sind Gewebebiopsien Gegenstand für Proben- und Interpretationsfehler. Kernspintomografie ist ein erfolgreiches Werkzeug, ist aber aufwändig und hat gravierende Begrenzungen bei Erfassung von Pathologien, die sehr dünn oder in ihren frühen Entwicklungsstufen sind.
Eine Technik, die auf dem medizinischen Gebiet zur Gewebeanalyse verwendet wird, ist induzierte Fluoreszenz. Laserinduzierte Fluoreszenz nutzt einen Laser, der auf eine bestimmte Wellenlänge abgestimmt ist, um Gewebe zu erregen und das Gewebe zu veranlassen, bei einer Menge von sekundären Wellenlängen zu fluoreszieren, die dann analysiert werden können, um auf Charakteristika des Gewebes zu schließen. Fluoreszenz kann entweder von Molekülen stammen, die normalerweise innerhalb des Gewebes gefunden werden, oder von Molekülen, die in den Körper eingeführt wurden, um als Kennzeichnungsmoleküle · zu dienen.
Obwohl der Mechanismus, der in die Fluoreszenzreaktion von biologischem Gewebe auf UV-Erregung einbezogen ist, nicht klar definiert wurde, scheint die Fluoreszenzsignatur von Neoplasie sowohl biochemische als auch morphologische Änderungen widerzuspiegeln. Die beobachteten Änderungen in den Spektra sind für viele Karzinome ähnlich, was nahelegt, das ähnliche Mechanismen wirksam sind. Zum Beispiel können nützliche Auto-Fluoreszenz-Spektralkennzeichnungen biochemische Änderungen in den Mitochondrien widergespiegeln, z. B. in der relativen Konzentration von Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid (NADH) und Flavinen. Schleimhautverdickungen und Änderungen, im Kapillarüberfluss sind strukturelle Wirkungen, die interpretiert wurden, dass sie einige typische Änderungen in der spektroskopischen Aufzeichnung verursachen.
Die Hauptmoleküle in biologischem Gewebe, die zu Fluoreszenzemission unter Erregung von 337 nm nahe UV-Licht beitragen, wurden als Tryptophan (390 nm Emission), Chromophore in Elastin (410 nm) und Kollagen (300 nm), NADH (470 nm), Flavine (520 nm) und Melanin (540 nm) identifiziert. Es sollte jedoch vermerkt werden, dass es im Gewebe eine bestimmte Spitzenverschiebung und Änderungen in der gesamten Form bezüglich den reinen Verbindungen gibt. Entsprechend kann die Probe mit einem UV-Strahl einer ausreichend kurzen Wellenlänge beleuchtet werden und Reaktionen von den oben aufgezählten Wellenlängen von Licht aufgezeichnet werden, um das Vorhandensein von jedem von oben angegebenen Beiträgen zu Gewebetypen zu bestimmen.
Es wurde ferner gezeigt, dass Hämoglobin eine Absorptionsspitze zwischen 400 und 540 nm hat, während sowohl Oxyhämoglobin als auch Hämoglobin eine starke Lichtabsorption oberhalb von 600 nm haben. Blutverteilung kann auch die beobachteten Emissionsspektra von Elastin, Kollagen, NAD und NADH beeinflussen. Weitere Verbindungen, die im Gewebe vorhanden sind, die emittiertes Lichts absorbieren und die Form der emittierten Spektra ändern können, umfassen Myoglobin, Porphyrin und Dinucleotid-Co-Enzyme.
Es ist eine allgemeine Überzeugung, dass Neoplasie hohe Pegel an NADH tat, da sein metabolischer Pfad hauptsächlich luftunabhängig ist. Das Unvermögen von Zellen, ihr NAD+ : NADH-Verhältnis bei Konfluenz zu erhöhen, ist eine Charakteristik von umgeformten Zellen bezüglich ihrer defekten Wachstumssteuerung. Das Verhältnis von NAD&spplus; : NADH ist ein Indikator der metabolischen Fähigkeit der Zelle, z. B. ihre Kapazität für Glykolyse gegen Gluconeogenese. Oberflächenfluoreszenz wurde verwendet, um den relativen Pegel von NADH in Geweben sowohl in vitro als auch in vivo zu messen. Emissionsspektra, die von einzelnem Myocyt erhalten wird, erzeugt restliche grüne Fluoreszenz, die wahrscheinlich aus mitochondrialen oxydierten Flavinproteinen stammt, und blaue Fluoreszenz ist mit NADH von einem mitochondrialen Ursprung konsistent.
Von Kollagen, NADH und Flavin-Adenin-Dinucleotid wird angenommen, dass sie die wesentlichen Fluorophore in Kolongewebe sind und wurden verwendet, die Fluoreszenzspektra spektral zu zerlegen. Reste zwischen den Paßgrößen und den Daten ähneln den Absorptionsspektra eines Gemischs von Oxy- und Deoxy- Hämoglobin; somit können die Reste dem Vorhandensein von Blut zugeordnet werden.
Alfano, US-Patent Nr. 4,930,516 lehrt, die Verwendung von Lumineszenz, um krebsartiges von normalem Gewebe zu unterscheiden, wenn die Form der sichtbaren Lumineszenz-Spektra von dem normalen und dem krebsartigen Gewebe wesentlich unterschiedlich sind, und insbesondere, wenn das krebsartige Gewebe eine Verschiebung zu dem blauen mit anderen Intensitätsspitzen aufweist. Z. B. legt Alfano offen, dass eine Unterscheidung zwischen einem bekannten gesunden Gewebe und einem verdächtigen Gewebe durch Vergleichen der Spektra des verdächtigen Gewebes mit dem gesunden Gewebe vorgenommen werden kann. Nach Alfano können die Spektra des Gewebes durch Erregen des Gewebes mit einer im wesentlichen monochromatischen Strahlung und Vergleichen der Fluoreszenz, die bei mindestens zwei Wellenlängen induziert wird, generiert werden.
Alfano lehrt im US-Patent. Nr. 5,042,494 eine Technik zum Unterscheiden von Krebs von normalem Gewebe durch Identifizieren, wie die Form der sichtbaren Lumineszenz-Spektra von dem normalen und dem krebsartigen Gewebe im wesentlichen unterschiedlich sind.
Alfano lehrt weiter im US-Patent Nr. 5,131,398 die Verwendung von Lumineszenz, um Krebs von normalem oder gutartigem Gewebe durch Einsetzen (a) monochromatischer oder im wesentlichen monochromatischer Erregungswellenlängen unter ungefähr 315 nm und insbesondere zwischen ungefähr 260 und 315 nm und speziell bei 300 nm und (b) Vergleichen der resultierenden Lumineszenz bei zwei Wellenlängen von ungefähr 340 und 440 nm zu unterscheiden.
Alfano scheitert jedoch, ein Verfahren zu lehren, das zum Unterscheiden zwischen normalem, bösartigem, gutartigem, tumorhaftem, dysplastischem, hyperplastischem, entzündetem oder infiziertem Gewebe fähig ist. Ein Versagen, diese feinen Unterschiede in einer Diagnose zu definieren, macht geeignete Behandlungsauswahl nahezu unmöglich. Während das einfache Verhältnis, Unterschied und Vergleichsanalyse von Alfano und anderen sich als nützliche Werkzeuge in der Krebsforschung und herausfordernde Indikatoren vom Gewebestatus erwiesen haben, haben diese bis heute weder ein Verfahren ermöglicht noch Mittel vorgesehen, die ausreichend genau und robust sind, um für eine Krebsdiagnose klinisch akzeptabel zu sein.
Aus dem obigen ist ziemlich offensichtlich, dass die tatsächlichen Spektra, die aus biologischen Geweben erhalten werden, extrem komplex und somit durch Standard-Spitzenabgleich-Programme, spektrale Entfaltung oder vergleichende Spektralanalyse schwierig aufzulösen sind. Des weiteren verkompliziert spektrale Verschiebung ferner derartige Versuche bei Spektralanalyse. Schließlich versagen Laser-Fluoreszenz und andere optische Reaktionen von Geweben typischerweise, eine Tiefenauflösung zu erreichen, da entweder die optischen oder die elektronischen Instrumente, die gewöhnlich für diese Techniken verwendet werden, eine Integration des Signals, das durch das erregte Gewebe emittiert wird, über das gesamte angestrahlte Gewebevolumen zur Folge haben.
Rosenthal, US-Patent Nr. 4,017,192, beschreibt eine Technik für eine automatische Erfassung von Anomalien, einschließlich Krebs, in multi-zellularen losen biomedizinischen Einzelproben, die die Probleme überwinden, die mit komplexen spektralen Reaktionen von biologischen Geweben verbunden sind. Rosenthal lehrt die Bestimmung von Daten von optischen Reaktionen (Übertragung oder Reflexion) von biologischem Gewebe über eine große Anzahl von Wellenlängen für zahlreiche Proben und dann die Korrelation dieser optischen Reaktionen auf konventionelle klinische Ergebnisse, um Testwellenlängen und eine Serie von Konstanten zu wählen, um eine Korrelationsgleichung zu bilden. Diese Korrelationsgleichung wird dann in Verbindung mit optischen Reaktionen bei den gewählten Wellenlängen verwendet, die auf ein nicht gekennzeichnetes Gewebe übernommen werden, um den Status dieses Gewebes vorherzusagen. Um gute und solide Korrelationen zu erhalten, schneidet Rosenthal jedoch die Gewebe heraus und erhält im wesentlichen eine homogene Probe, in der die optischen Reaktionen nicht die optischen Signaturen von unterliegenden Geweben umfassen. Rosenthal's Verfahren können deshalb nicht in Anwendungen in vivo verwendet werden, wie in der vorliegenden Erfindung in Erwägung gezogen wird.
In Untersuchungen, die in den Wellmann Laboratories of Photomedicine ausgeführt wurden, hat Schomacker unter Verwendung einer Einzelfaser-Tiefenintegrationssonde gezeigt, dass die Auto-Fluoreszenz der Signatur von menschlichen Dickdarmpolypen in vivo ein Indikator von Normalität, gutartiger Hyperplasie, vor-krebsartiger und bösartiger Neoplasie ist. Siehe Schomacker et al., Lasers Surgery and Medicine, 12, 63-78 (1992) und Gastroenterology 102, 1155-1160 (1992). Schomacker lehrt ferner eine Verwendung von multi-varianter linearer Regressionsanalyse der Daten, um neoplastische von nicht-neoplastischen Polypen zu unterscheiden. Bei Verwendung von Schomacker's Techniken wurde jedoch die Beobachtung von mukösen Anomalien durch das Signal den Submukosa behindert, da 87% der in normalem Kolongewebe beobachteten Fluoroszenz submukösem Kollagen zugeordnet werden kann.
Entsprechend gibt es ein Bedürfnis nach einer effektiveren und genaueren Vorrichtung, um Einzelproben zu charakterisieren, und insbesondere in vivo Einzelproben, was Reaktionen von gut definierten Volumenelementen innerhalb der Einzelprobe erhalten und automatisch gegenwärtige Daten von einem relativ großen Bereich, der eine Vielzahl derartiger Volumenelemente umfasst, darstellen wird. Des weiteren gibt es ein Erfordernis nach Verfahren, um derartige Daten bezüglich einfacher Diagnoseinformation über die Volumenelemente automatisch zu interpretieren.
In den zuvor erwähnten Anmeldungen, Seriennummer 08/510,041 und 08/510,043 lehrten Modell, DeBaryshe und Hed die allgemeinen Prinzipien zum Erhalten wertvoller analytischer Daten aus einem Volumenelement in einer Zielprobe durch Verwendung räumlicher Filter mit Dimensionen, die allgemein größer als die Beugungsgrenzen für die Wellenlängen der Sondierungsstrahlung sind. Eine derartige räumliche Filterung wird durch eine optische Vorrichtung einschließlich eines Beleuchtungs- und Erfassungssystems erhalten, die beide Feldstopps enthalten und wobei die Feldstopps miteinander über das zu analysierende Volumenelement gepaart sind, was im wesentlichen eine Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde vorsieht.
Während die Familie von Vorrichtungen, die in der zuvor erwähnten Anmeldung beschrieben werden, in der Analyse einer Vielzahl von Punkten innerhalb einer Zielprobe sehr nützlich sind, gibt es ein Erfordernis, derartige Daten über eine volle Anordnung von Punkten einfach und automatisch derart zu erhalten, um diese Daten in eine künstliche Abbildung der analytischen Befunde über einen großen Bereich der Probe zu konvertieren. Dies ist insbesondere wichtig, wenn heterogene Proben, wie etwa biologische Proben, mit der Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde untersucht werden. Wenn z. B. Gewebe untersucht werden, um das Vorhandensein oder Fehlen onkologischer Pathologien oder anderer Pathologien zu bestimmen, folgen in einigen Fällen visuelle Techniken das Herausschneiden von Biopsie-Einzelproben. Derartige Techniken sind natürlich dadurch begrenzt, dass das Auge des Mediziners nur das visuelle Aussehen von potenziellen Pathologien beurteilen kann, und die Anzahl entnommener Biopsien durch Notwendigkeit begrenzt ist. Das Aussehen pathologischer Gewebe sieht keine Information über die Tiefe der Pathologien vor und kann keine positive Diagnose der Pathologie vorsehen. Da Biopsien ex vivo ausgeführt werden, kann des weiteren eine zeitliche Verzögerung zwischen der Entnahme der Biopsie und Erhalten ihrer Ergebnisse nicht vermieden werden. Es wäre für Mediziner sehr nützlich, eine Vorrichtung zu haben, die zum Durchführen derartiger Diagnoseaufgaben in vivo fähig ist und um differenzierte Diagnosen (zwischen gesunden und pathologischen Geweben) zu erhalten, während die Untersuchung durchgeführt wird.
Dies ist besonders wichtig, wenn erkundende chirurgische Prozeduren durchgeführt werden, kann aber ebenso sehr nützlich sein, wenn mehr zugängliche Gewebe untersucht werden.
Es wurde eine Anzahl von Vorrichtungen im Stand der Technik in Bezug insbesondere auf konfokale Mikroskopie beschrieben, wo Beleuchtungs- und Erfassungsanordnungen vorgesehen sind. Z. B. wird in US-Patent Nr. 5,065,008 ein konfokales Abtastmikroskop beschrieben, in dem mechanisches Abtasten der Beleuchtungs- und der gesendeten (oder der reflektierten) Strahlen vermieden wird. Es wird eine Lichtverschlussanordnung verwendet, um eine synchrone Erfassung eines abgetasteten Lichtstrahls ohne die Notwendigkeit, einen Fotodetektor zu bewegen, um dem Abtaststrahl zu folgen, vorzusehen, und jeder der Verschlüsse dient im wesentlichen als ein Feldstopp in dem konfokalen Mikroskop. In anderen Ausführungsformen werden zwei überlappende Anordnungen von Flüssigkeitskristallen als optische Verschlussanordnungen verwendet, um eine Größenverringerung der Feldstopps zu versuchen. Wie es in der Technik konfokaler Mikroskopie bekannt ist, müssen die Abmessungen der Feldstopps bezüglich der Beugungsgrenze des optischen Strahls, der in dem System verwendet wird, klein sein, um die gewünschte Auflösung zu erhalten, die durch diese Technik geboten wird. Andere Ausführungsformen sehen auch zwei Mengen von Feldstopps vor, die innerhalb der Probe gepaart sind, eine Menge für den Beleuchtungsstrahl und eine Menge für den gesendeten oder reflektierten Strahl. Während dieses Patent die Verwendung elektronischer Abtastung der Beleuchtungs- und Reaktionsstrahlen lehrt, sind die Beleuchtungsintensität und Reaktionssignalstärke wegen der Verwendung von dualen Flüssigkeitskristall-Optikverschlüssen, die erforderlich sind, um den Pinhole-Effekt eines Abtastkonfokalmikroskops zu erreichen, drastisch begrenzt.
Eine andere konfokale Abbildungsvorrichtung wird im US-Patent Nr. 5,028,802 gelehrt, wo eine Mikrolaseranordnung eine sich bewegende Punktlichtquelle in einer konfokalen Konfiguration vorsieht. Ähnlich sieht US-Patent Nr. 5,239,178 ein Beleuchtungsgitter für im wesentlichen den gleichen Zweck vor, mit Ausnahme dessen, dass lichtemittierende Dioden für die Lichtquellen des Gitters verwendet, werden. Diese Ansätze sind jedoch auf eine monochromatische Beleuchtung begrenzt und nur mit relativ langen Wellenlängen verwendbar, bei denen Festkörperlaserdioden und somit Mikrolaseranordnungen oder Anordnungen lichtemittierender Dioden verfügbar sind.
Eine andere konfokale Abbildungsvorrichtung wird durch US- Patent Nr. 5,587,832 gelehrt, wo eine Mehrfachmuster-Aperturenanordnung in Beleuchtungspunkte transformiert wird, die auf einer Einzelprobe über eine Mikroskoplinse abgebildet werden. Die Erfindung sieht ferner ein System zum Schaffen eines Bildes der Einzelprobe als eine Videobildausgabe vor, die gedacht ist, durch einen Bediener gesehen zu werden. Diese Vorrichtung nutzt das traditionelle Operationsprinzip konfokaler Mikroskopie, wodurch die Einzelprobe durch Zusammensetzung einer Vielzahl von genau festgelegten fein fokussierten Bildern abgebildet wird. US-Patent Nr. 5,248,876 lehrt auch ein konfokales Mikroskop, das eine Anordnung von genau festgelegten Sensoren nutzt, die das Objekt abtasten und eine visuelle Ausgabe vorsehen.
Keine dieser Vorrichtungen sieht eine Anordnung von Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonden vor. Entsprechend gibt es ein Erfordernis für eine Vorrichtung einschließlich einer Anordnung von Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonden, in der eine Vielzahl von Volumenelementen in einer Probe rasch abgetastet werden kann, um Diagnose- oder Analyseinformation über einen relativ großen Bereich der Probe zu erhalten, ohne die Daten von allen abgetasteten Volumenelementen zu integrieren.
WO 97/05473 legt eine optische Mikrosonde offen, die Licht sammelt, das von einer Einzelprobe entspringt, die selektiv und vorzugsweise ein lokalisiertes Volumenelement innerhalb einer Probe darstellt. Dies wird durch Verwendung eines Stimulationsstrahls, wie etwa eines Beleuchtungsstrahls einer Strahlenquelle, mit Beleuchtungsoptik zum Beleuchten eines Volumenelements erreicht. Der Strahl hat eine definierte Beleuchtungsverteilung, die außerhalb einer ersten Region bedeutend fällt. Die Ausstattung zum Sammeln (Sammeloptik) hat eine Sammlungseffizienz, die eine ähnliche räumliche Trennschärfe über einer zweiten Region hat, wobei sich die ersten und zweiten Regionen überkreuzen, um das untersuchte Volumenelement zu definieren. Somit wird ein Volumenelement durch die Überlappung räumlicher Verteilungen von Stimulation und von Erfassungsempfindlichkeit definiert. Das resultierende Signal, das durch einen Detektor gesammelt wird, umfasst ein oder mehr spektrale Segmente und ist mit optischen Charakteristika, wie etwa Absorbierung, Streuung oder Fluoreszenz-Charakteristika von Material in den kleinen Volumenelementen stark korreliert.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe aus Material durch die Interaktion von elektromagnetischer Strahlung mit der Probe vorzusehen. Die Vorrichtung umfasst eine Quelle elektromagnetischer Strahlung, einen optischen Aufbau und einen Detektor zum Erfassen der gesammelten elektromagnetischen Strahlung, die von jedem der sequenziell beleuchteten Volumenelemente entspringt, um eine Reaktion zu erzeugen, die die Charakteristik in jedem der Volumenelemente darstellt. Der oben erwähnte optische Aufbau beleuchtet sequenziell eine Vielzahl von Volumenelementen in der Probe mit einer Intensitätsverteilung in der Probe, die im wesentlichen monoton von einer ersten Region in einem ersten optischen Pfad abfällt. Der oben erwähnte optische Aufbau sammelt die elektromagnetischer Strahlung, die von jedem der Volumenelemente entspringt, mit einer Sammlungsverteilung, die im wesentlichen monoton von einer zweiten Region in einem zweiten optischen Pfad abfällt. Die oben erwähnten ersten und zweiten Regionen überlappen sich mindestens teilweise in jedem der Volumenelemente. Der oben erwähnte optische Aufbau hat jeweilige Feldstopps, deren Abmessungen im Vergleich zu einem Quotienten einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, dividiert durch eine numerische Arbeitsapertur des optischen Aufbaus, gemessen jeweils von den jeweiligen Feldstopps, groß sind.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe aus Material durch die Interaktion elektromagnetischer Strahlung mit der Probe vorzusehen. Das Verfahren umfasst die Schritte zum sequenziellen Beleuchten mit einem optischen Aufbau einer Vielzahl von Volumenelementen in der Probe, sequenzielles Sammeln mit dem optischen Aufbau elektromagnetischer Strahlung, die von jedem der sequenziell beleuchteten Volumenelemente entspringt, und Erfassen der gesammelten elektromagnetischen Strahlung, die von jedem der sequenziell beleuchteten Volumenelemente entspringt, um eine Reaktion zu erzeugen, die die Charakteristik in jedem der Volumenelemente darstellt. Der Schritt zum Beleuchten findet durch Richten elektromagnetischer Strahlung in die Probe mit einer Intensitätsverteilung in der Probe statt, die im wesentlichen monoton von einer ersten Region in einem ersten optischen Pfad abfällt. Der Schritt zum Sammeln findet durch Sammeln elektromagnetischer Strahlung statt, die von jedem der sequenziell beleuchteten Volumenelemente entspringt, mit einer Sammlungsverteilung, die im wesentlichen monoton von einer zweiten Region in einem zweiten optischen Pfad abfällt. In diesen Schritten überlappen sich die oben erwähnten ersten und zweiten Regionen mindestens teilweise in jedem der Volumenelemente. Der oben erwähnte optische Aufbau umfasst mindestens eine Anordnung von Feldstopps, deren Abmessungen verglichen mit einem Quotienten einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, dividiert durch eine numerische Arbeitsapertur des optischen Aufbaus, gemessen von dem Feldstopps, groß sind.
In der vorliegenden Erfindung werden die Prinzipien, die in der oben erwähnten Anmeldung gelehrt werden, angewendet, um automatisch optische Reaktionen von einer dreidimensionalen Anordnung von derartigen Volumenelementen durch paralleles Vorsehen einer Vielzahl von Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonden zu erhalten, die automatisch eine Abbildung der gesuchten Diagnoseinformation darstellt, in einer Ebene, die allgemein der Oberfläche der Einzelprobe (die xy-Ebene) parallel ist, und in der z-Richtung, die allgemein zu der xy- Ebene senkrecht ist.
Die optischen Reaktionen von einer Anordnung von Volumenelementen werden weiter analysiert, um visuell (nämlich auf einem Monitor) Information vorzusehen, die durch eine direkte Untersuchung der Einzelprobe nicht leicht verfügbar ist. Dies wird im wesentlichen durch Vorsehen einer künstlichen dreidimensionalen biochemischen Abbildung erreicht, die sich aus den optischen Reaktionen zusammensetzt, oder genauer Ableitungen derartiger Reaktionen von jedem einzelnen Volumenelement, das in einer Anordnung untersucht wird, und ferner durch Konvertieren dieser biochemischen Daten in eine künstliche pathologische Abbildung, die das Wesen, Ausmaß und Tiefe von beobachteten Pathologien beschreibt. Dies wird durch Schaffung einer künstlichen pathologischen Skala für jede interessierende Pathologie, durch Trainieren des Instruments, spezifische Pathologien zu erkennen, erreicht. Speziell wird eine Trainingsmenge von Einzelproben, in denen optische Reaktionen mit einer Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde gesammelt wurden, einer strengen Laborbestimmung des pathologischen Zustands von jeder ihrer Einzelproben unterzogen und es wird jeder Einzelprobe in der künstlichen pathologischen Skala ein Wert zugeordnet. Es wird eine Menge von linearen Gleichungen in Bezug auf die Reaktionen (oder Funktionen der Reaktionen) für jede Einzelprobe auf die pathologischen Zustände aufgebaut und optimierte Lösungen für die Korrelationskoeffizienten werden gesucht. Diese Korrelationskoeffizienten werden dann verwendet, um Reaktionen zu transformieren, die in einer unbekannten Einzelprobe erhalten werden, um den pathologischen Zustand dieser unbekannten Einzelprobe zu erhalten.
Die Ziele der momentanen Erfindung werden durch Vorsehen einer Anordnung von optischen Aufbauten erreicht, der jede aus zwei gepaarten, oder teilweise gepaarten, optischen Aufbauten bestehen. In jedem derartigen Aufbau ist der erste optische Aufbau gestaltet, selektiv einen gesendeten Strahl von einer Lichtquelle oder einer anderen Strahlungsquelle innerhalb einer Vielzahl von gewählten Volumenelementen einer Probe auf eine sequenzielle Art und Weise abzubilden. Der zweite optische Aufbau ist gestaltet, Licht oder eine Strahlung, die von den Volumenelementen entspringt, auf die gleiche sequenzielle Art und Weise zu sammeln und das gesammelte Licht oder Strahlung zu einem Detektor für eine weitere Analyse der Interaktion des ersten gesendeten Strahls mit den Volumenelementen zu senden. Der erste optische Aufbau umfasst einen ersten Feldstopp, um eine selektive Beleuchtung eines ausgewählten Volumenelements zu erreichen, und der zweite optische Aufbau umfasst einen zweiten Feldstopp, um die Annahme der ausgestrahlten Strahlung oder Lichts in die Sammeloptik, im wesentlichen nur von dem gewählten Volumenelement, zu begrenzen. Des weiteren ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, um die Tiefe der gewählten Volumenelemente bezüglich der Oberfläche der Probe durch Steuerung der jeweiligen Brennpunkte der beiden optischen Aufbauten abzustimmen, während sie gepaart erhalten werden und das Volumenelement als einen gemeinsamen Konjugationspunkt für beide optische Aufbauten haben.
Sequenzielle Beleuchtung der verschiedenen Volumenelemente in einer Anordnung ist erwünscht um sicherzustellen, dass nur Reaktionen von einem gegebenen Volumenelement durch den optischen Aufbau, der mit dem Volumenelement zu jedem gegebenen Zeitpunkt assoziiert ist, gesammelt werden.
Die sequenzielle Beleuchtung einer Vielzahl von Volumenelementen kann mit einer Vielfalt von Vorrichtungen ausgeführt werden. In einigen Ausführungsform der Erfindung wird eine Anordnung von Optikverschlüssen zwischen die Lichtquelle und die Probe gestellt, wobei jeder Verschluss entweder als ein Feldstopp oder Aperturstopp für einen speziellen optischen Aufbau dient. In einigen Ausführungsformen wird eine Einzelanordnung von Optikverschlüssen vorgesehen, während in anderen Ausführungsformen zwei Anordnungen von Optikverschlüssen vorgesehen werden. In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird eine Anordnung von Mikrospiegeln verwendet, um die sequenzielle Beleuchtung und Reaktionssammlung der verschiedenen Volumenelemente in der Probe zu steuern. In noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein angeordnetes Bündel von optischen Fasern verwendet, um eine Anordnung von Volumenelementen in der Probe sequenziell zu beleuchten und Reaktionen von den Volumenelementen sequenziell zu sammeln. Es wird eine geeignete Bewegung der Optik derart vorgesehen, um verschiedene Tiefen der Probe zu untersuchen.
Die optischen Reaktionen von den gewählten Volumenelementen übertragen wichtige Information über die Volumenelemente, wie etwa Chemie, Morphologie und im allgemeinen das physiologische Wesen der Volumenelemente. Wenn die Probe spektral einfach ist, werden diese optischen Reaktionen durch klassische spektrale Techniken von Spitzenabgleich, Entfaltung oder Intensitätsbestimmung bei gewählten Wellenlängen analysiert. Ein derartiges System könnte die Bestimmung des Grades von Homogenität einer Mischung oder Lösung einer Vielzahl von Verbindungen sein. Wenn jedoch die Proben komplexe biologische Einzelproben sind, wie oben erwähnt, ist die Spektralkomplexität häufig zu groß, um eine bedeutungsvolle Diagnose zu erhalten. Wenn derartige biologische Einzelproben auf subtile Charakteristika untersucht werden, haben wir überraschend herausgefunden, dass die Anwendung von Korrelationstransformationen auf räumlich gefilterte optische Reaktionen, die von einer Anordnung von diskreten Volumenelementen erhalten werden, oder die Verwendung von derartigen Transformationen in Verbindung mit Daten, die durch Nicht-Abbildungsmikroskopie erhalten werden, diagnostisch bedeutungsvolle Ergebnisse liefert.
Speziell haben wir zuerst, eine Trainingsprobe einer spezifizierten Zielpathologie gewählt. Eine derartige Probe wird vorzugsweise mindestens zehn Einzelproben haben. Optische Reaktionen werden zuerst von gut definierten Volumenelementen in den Einzelproben gesammelt und aufgezeichnet. Diese optischen Reaktionen können mit einer Anordnungsmikrosonde oder mit einer Einzelvolumen-Mikrosondenvorrichtung entnommen werden, wie in der oben erwähnten gemeinsam anhängigen Anmeldung beschrieben wird. Die gleichen Volumenelemente, die mit der Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde abgetastet wurden, werden herausgeschnitten und. Biopsien (nämlich zytologische Analyse der herausgeschnittenen Volumenelemente) werden in einem klassischen pathologischen Labor ausgeführt und die Einzelproben werden auf einer beliebigen Skala bewertet, die sich auf das Ausmaß der Pathologie, bezieht, wobei C (z. B. ein spezieller Krebs) charakterisiert wird. Diese Ergebnisse Cj, wobei Cj der Ergebniswert ist, der der Einzelprobe j innerhalb der Trainingsmenge zugeordnet ist, sollten so genau wie möglich sein, und somit kann ein Durchschnitt einer Anzahl von Ergebnisse eines Pathologen (bestimmt in den gleichen Volumenelementen j) verwendet werden. Wir können nun eine Menge von Gleichungen Σaic F(Iij) = Cj erstellen, wobei i ein relativ enges Spektralfenster (gewöhnlich zwischen 5 und 50 nm) bezeichnet und somit F(Iij) eine spezielle Funktion der Reaktionsintensität oder anderer Charakteristika der Spektralreaktion in dem Fenster i für Volumenelement j ist. Die Funktion F ist manchmal die Reaktionsintensität in diesem Fenster selbst, nämlich F(Iij) = oder F(Iij) = (dIij)/dλ)/Iij, wobei λ die mittlere Wellenlänge in dem Fenster i ist, oder andere Funktionen. Die Faktoren aic, die Koeffizienten der Korrelationstransformation für die Pathologie C, werden nun aus der oben erstellten Menge von Gleichungen durch Mittel, die im Stand der Technik gut bekannt sind, gefunden, wie etwa multivariante lineare Regressionsanalyse oder univariante lineare Regressionsanalyse. In einer derartigen Analyse wird die Anzahl von Wellenlängenfenstern i, die erforderlich sind, um vertrauensvolle Korrelationen zwischen den optischen Reaktionen und den pathologischen Ableitungen der Werte Cj zu erhalten, minimiert und es wird die Menge von Korrelationskoeffizienten aic für die Pathologie C gefunden. Wenn wir nun die Reaktionen (Iik) (was ein Vektor in dem Raum von i optischen Fenstern ist, nun auf eine begrenzte Anzahl von diskreten Elementen minimiert) in einer Probe außerhalb der Trainingsmenge aufzeichnen und den Transformationsoperator (aic) auf den Vektor F(Iik) anwenden, um nämlich die Summe Σaic F(Iik) = Ck zu erhalten, erhalten wir automatisch das Ergebnis für die Zielpathologie C für das abgetastete Volumenelement.
Es sollte verstanden werden, dass andere statistische Werkzeuge, wie etwa Hauptkomponentenregressionsanalyse der optischen Reaktionen, ebenso verwendet werden könnten. Man kann auch eine Verwendung in den Korrelationstransformationen an Stelle von Funktionen der optischen Reaktionen bei spezifischen Wellenlängen der Fourier-Transformation der gesamten Spektralreaktionen betrachten. Während die Spektralreaktionen von spezifischen Volumenelementen aufgenommen werden, können diese Reaktionen des weiteren optisch entweder durch einen räumlichen Fourier-Transformationsgenerator (wie etwa ein Sagnac-Interferometer) oder einen zeitlichen Fourier-Transformationsoperator (wie etwa ein Michelson-Interferometer) behandelt werden, und die erhaltenen Daten können dann verwendet werden, um die gewünschten Korrelationsmatrizen zu erstellen, um das System für eine weitere Datenerlangung und Bildgenerierung der Verteilungen möglicher Pathologien zu trainieren.
Instrumente, die die Erfindung verkörpern, werden zur Erhaltung künstlicher Bilder von einigen Charakteristika von trüben Materialien, wie etwa biologischem Gewebe, Plastik, Beschichtungen und chemischen Reaktionsprozessen, als nützlich erachtet und können besondere Vorteile in einer Analyse von biologischem Gewebe, sowohl in vitro als auch in vivo, bieten. Um eine innere Analyse vorzusehen, ist die Erfindung angepasst, mit existierenden Endoskopen, Laparoskopen und Arthroskopen zu arbeiten.

Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein schematisches und verallgemeinertes Blockdiagramm der Hauptelemente der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Anordnung von Lichtverschlüssen, in der jeder Lichtverschluss als ein adressierbarer Feldstopp für die Beleuchtungs- und Erfassungsstrahlen agiert.
Fig. 3 stellt eine Ausführungsform dar, wo eine Anordnung von Linseneinlassen der gleichen Periodizität wie die Anordnung von Lichtverschlüssen als eine Anordnung von Objektivlinsen für sowohl die Beleuchtungs- als auch Erfassungsstrahlen agiert.
Fig. 4 und Fig. 4A stellen Ausführungsformen der Erfindung dar, in denen separate Beleuchtungs- und Erfassungs-Lichtverschlussanordnungen Anordnungen von Aperturstopps erstellen, jede in Verbindung mit Linsenanordnungen, die als Objektive für die Beleuchtungs- und Erfassungsoptik dienen. In Fig. 4A wird die Erfassungslinsenanordnung durch eine Einzellinse ersetzt.
Fig. 5 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, in der eine Anordnung von (deformierbaren) flachen Mikrospiegeln als Feldstopps verwendet wird und die sequenzielle Auswahl von Mikrospiegeln dazu dient, Volumenelemente in einer Probe sequenziell zu beleuchten.
Fig. 6 und 6A stellen Ausführungsformen der Erfindung dar, in denen eine Anordnung von (deformierbaren) Achsenversatzparabolspiegeln als Auswahlobjektive dazu dienen, Erregungsstrahlen sequenziell auf verschiedene Volumenelemente anzuwenden und die Reaktionen von den Volumenelementen zu sammeln.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der die Lichtverschlussanordnung durch eine Faserschaltvorrichtung ersetzt wird, um eine Anordnung von Volumenelementen in einer Zielprobe sequenziell zu beleuchten (und von ihr Reaktionen zu erhalten).
Fig. 8 stellt eine Ausführungsform mit zwei optischen Aufbauten dar, wobei jeder mit seinen eigenen (Erregung und Erfassung) Faserbündeln gekoppelt ist, in der eine sequenzielle Beleuchtung von Fasern (und Erfassung) praktiziert wird, um Daten von einer Anordnung von Volumenelementen zu erhalten.
Fig. 9 und 10 stellen Ausführungsformen der Erfindung dar, in denen Lichtverschlussanordnungen mit optischen Faserbündeln gekoppelt sind.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung von einer der Ausführungsformen der Erfindung, einschließlich eines Blockdiagramms der Steuer- und Datenbearbeitungselemente des Systems.
Fig. 12 ist ein Blockdiagramm, das Methoden zur Verwendung von Volumensondenanordnungen der Erfindung, insbesondere in der Diagnostik von verschiedenen Pathologien, darstellt.
Fig. 13a und 13b sind jeweils Unteransicht und Draufsicht eines Teilsegments einer PVDF-basierten Optikverschlussanordnung.
Fig. 14 zeigt eine andere Ausführungsform einer PVDF-basierten Optikverschlussanordnung.
Fig. 15 ist eine Draufsicht einer mikro-bearbeiteten Optikverschlussanordnung.
Fig. 16 zeigt eine andere Ausführungsform einer mikrobearbeiteten Optikverschlussanordnung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In Fig. 1 zeigen wir eine verallgemeinerte schematische Volumensondenanordnung 10, deren Funktion es ist, Daten von einer Vielzahl von Punkten in einer Zielprobe zu sammeln. Das System umfasst allgemein eine geeignete Lichtquelle 11, deren Lichtausgabe konditioniert ist und in Block 12 multiplext werden kann, um eine Vielzahl von Lichtquellen zu erstellen, um zu einer Anordnung 12 von Lichtventilen weitergegeben zu werden. Diese Lichtventile können als Beleuchtungsfeldstopps oder Aperturfeldstopps agieren, und zu einem gegebenen Zeitpunkt ist nur ein Ventil geöffnet, wobei somit eine sequenzielle Beleuchtung von Volumenelementen in Probe 19 vorgesehen wird. Das Licht, das von jedem Lichtventil entspringt, wird dann auf ein Zielvolumenelement in der Probe 19 mit einem geeigneten Beleuchtungsobjektiv 14 gerichtet. In einigen Ausführungsformen wird eine Einzelobjektivlinse verwendet, während wir in anderen Ausführungsformen eine Anordnung von Objektivmikrolinsen mit der gleichen Periodizität wie der von der Lichtventilanordnung einbeziehen.
Reaktionen von jedem Zielvolumenelement in der Form von Licht, das von den Volumenelementen entspringt, wird durch ein Sammlungsoptikobjektiv 15 (das in einigen Ausführungsformen das gleiche sein kann wie das Beleuchtungsobjektiv und eine Anordnung von Mikrolinsen) und durch eine Anordnung 16 von Lichtventilen (die auch die gleiche Anordnung wie die eine, die zur Beleuchtung verwendet wird, sein kann) gesammelt. Die Reaktionen werden dann auf einen oder mehr Detektoren 17 gerichtet, um ihre optischen und spektralen Charakteristika zu bestimmen.
Es sollte betont werden, dass sowohl die Beleuchtungsoptik als auch die Sammeloptik jede einen Feldstopp mit Abmessungen enthält, die in Bezug auf die Durchschnittswellenlänge der Beleuchtungsstrahlung relativ groß sind, und des weiteren diese Feldstopps zueinander durch das untersuchte Volumenelement gepaart sind. Als ein Ergebnis wird ein gut bestimmtes Volumenelement zu einem beliebigen Zeitpunkt beleuchtet, und die optische Reaktion von dem Element, die durch den Feldstopp der Sammeloptik gesammelt wird, ist im wesentlichen auf. Reaktionen begrenzt, die von dem Volumenelement entspringen.
Es ist eine Steuervorrichtung 18 vorgesehen, um die Ablaufsteuerung der abgetasteten Volumenelemente (in der x,y-Ebene, der Ebene der Probe) zu steuern und die Tiefe der untersuchten Volumenelemente zu steuern (in der z-Richtung).
In Fig. 2 wird ein einfaches Beispiel eines Systems eine Anordnungsvolumenmikrosonde 20 gezeigt. Das System umfasst, eine Lichtquelle 21. Licht von der Lichtquelle wird mit einer Linse 22 auf eine Anordnung von Lichtverschlüssen 24 durch eine Strahlsplitteinrichtung 25 verdichtet. In dieser Ausführungsform dient jedes Element 28 in der Lichtverschlussanordnung als ein Feldstopp, der durch eine Objektivlinse 26 in einer Probe 27 abgebildet wird. Die Abmessungen und Form der Verschlüsse bestimmen die Morphologie von Volumenelementen, die auf eine Art und Weise abgetastet werden, die detailliert in den gemeinsam anhängigen Anmeldungen Seriennummern 08/510, 041 und 08/510,043 erörtert wird. Im wesentlichen wird die mittlere Abmessung d von jedem Verschluss gewählt, größer als die Wellenlänge dividiert durch die numerische Apertur NA des Objektivs oder d » λ/NA zu sein. Somit ist die Abbildung des Feldstopps in der Ebene der Probe größer als die beugungsbegrenzte Auflösung für die Wellenlänge. Als ein Ergebnis ist ein sehr großer Anteil des Lichts, das einen gegebenen Feldstopp durchläuft und in der Probe abgebildet wird, innerhalb eines gut definierten Volumenelementes der Probe. Während die Gesamtreaktion auf die Beleuchtung über einen sehr großen räumlichen Winkel verteilt ist (im wesentlichen 4Π Raumwinkel), werden ähnlich nur Reaktionen, die von innerhalb des gleichen Volumenelementes entspringen, zurück auf den Feldstopp abgebildet und erreichen Detektor 29 dadurch, dass sie auf der Strahlsplitteinrichtung 25 auf eine Sammellinse 23 reflektiert werden, die die Reaktion auf den Detektor 29 konzentriert. Dies resultiert aus der Tatsache, dass die jeweiligen Feldstopps der Beleuchtungs- und Erfassungssysteme miteinander über das Zielvolumenelement gepaart sind. In der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind beide Feldstopps innerhalb der gleichen Apertur (ein Optikverschluss oder ein Lichtventil 28 innerhalb der Optikverschlussanordnung) verkörpert.
In einigen Ausführungsformen kann die Strahlsplitteinrichtung 25 ein dichromatischer Spiegel sein, insbesondere wenn die Lichtquelle eine Lichtquelle ist, die eine kurze Wellenlänge (UV) erzeugt, und die Reaktionen Fluoreszenzreaktionen sind. In anderen Ausführungsformen kann die Strahlsplitteinrichtung 25 ein halb-versilberter Spiegel sein, der den optischen Pfad von Reaktionen von der Probe von dem optischen Pfad des Erregungsstrahls trennt, z. B. wenn der Erregungsstrahl mit einer Breitspektrum-Lichtquelle versehen wird, und die Reaktionen Rückstreuung und Reflexionen von der Probe einbeziehen (und somit hauptsächlich das Ausmaß einer Absorption des Erregungsstrahls in dem Zielvolumenelement untersucht wird).
Die Anordnung von Lichtventilen oder Optikverschlüssen kann auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Weisen implementiert werden. Man kann einen Flüssigkeitskristall verwenden, der zwischen zwei Elektrodenanordnungen eingeschoben ist (abgelegt, wie es im Stand der Technik in transparentem Glas oder Plastiklagen in der Form von transparenten Elektroden ist, die aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) oder Zinnoxid (TO) hergestellt sind, die gewöhnlich mit Fluorin gedopt sind, um eine gute räumliche Leitfähigkeit vorzusehen). Man kann auch Filme aus PDLC (polymer-dispergierte Flüssigkeitskristalle) verwenden, die leichter zu handhaben sein können und geringere Produktionskosten aufweisen. Eine andere betrachtete Ausführungsform, wenn die erforderliche Abtastung besonders schnell ist, ist eine Anordnung von ferroelektrischen Elementen, wobei jedes als ein Lichtventil agiert. Noch eine andere Ausführungsform der Lichtventile kann eine Anordnung von PVDF- (Polyvinyl- Difluorid) Bimorphen einbeziehen, jedes beschichtet, um reflektierend (oder auf beiden Seiten undurchlässig) auf der Seite zu sein, die der Lichtquelle gegenüberliegt, und gestaltet, sich derart aus dem Lichtpfad zu biegen, um ein Lichtventil zu schaffen. Die typischen Abmessungen des Lichtventils reichen von einem unteren von ungefähr 20 Mikron zu so viel wie 1000 Mikron. Die Größe wird hauptsächlich durch die Anwendung, das Wesen der analysierten Probe und den bestimmten Entwurf der verwendeten spezifischen Anordnungsvolumenmikrosonde bestimmt. Wenn der allgemeine Entwurf von Fig. 2 verwendet wird, wobei eine einzelne große Objektivlinse als ein gemeinsames Objektiv für alle Feldstopps in der Anordnung dient, wird der Raum zwischen benachbarten Lichtventilen gewöhnlich so klein wie möglich gehalten, um abgetastete Volumenelemente so eng beabstandet wie möglich vorzusehen. Es sollte jedoch verstanden werden, dass in einigen Ausführungsformen die Beabstandung relativ groß gehalten wird (so groß wie der Feldstopp selbst), wenn eine Abbildung der Pathologie, die aus gut beabstandeten diskreten Punkten besteht, geeigneter ist.
In einer Operation hält die Steuervorrichtung 18 eines der Lichtventile offen und justiert die Position der Vorrichtung derart, um den Feldstopp an dem gewünschten Volumenelement in der Probe 27 abzubilden. Sobald die allgemeine Position der Vorrichtung bezüglich der Probe optimiert wurde, bewirkt die Steuervorrichtung eine Abtastung der Oberfläche der Einzelprobe in der xy- (die Ebene der Einzelprobe) Richtung durch sequenzielles Schließen eines geöffneten Lichtventils und Öffnen eines benachbarten Lichtventils. Das Zeitintervall von jedem Lichtventil in der geöffneten Position ist eine starke Funktion der Intensität der Lichtquelle und der Effizienz einer Sammlung der Reaktion von jedem Volumenelement. In einigen Ausführungsformen kann dieses Zeitintervall kürzer als eine Millisekunde sein, während in anderen Ausführungsformen zehn bis hunderte Millisekunden erforderlich sind.
Die Steuervorrichtung 18 steuert auch die Position der Volumenelemente innerhalb der Probe in der z-Richtung, allgemein einer Achse, die zu der Ebene der Proben senkrecht ist. Dies kann auf einer Vielzahl von Wegen erreicht werden. Zum Beispiel kann der gesamte optische Aufbau in der z-Richtung vor und zurück bewegt werden. In einigen Ausführungsformen kann diese Verschiebungsbewegung der Abbildungsebene der Feldstopps in der Probe durch Bewegung des Objektivs allein, oder der Anordnung von Lichtventilen oder von beiden dieser Elemente gleichzeitig erreicht werden. Die spezielle Gestaltung hängt von der bestimmtem Ausführungsform der Vorrichtung ab.
Es sollte erkannt werden, dass, da die Intensität einer Beleuchtung innerhalb des Volumenelementes, das durch den Erregungsstrahl untersucht wird, am höchsten ist (bezüglich Zonen, die das Volumenelement umgeben), und dass die Reaktion, die durch den Sensor 29 erfasst wird, hauptsächlich von dem gleichen Volumenelement ist (und sehr wenig Beleuchtung enthält, die von Zonen entspringt, die das Volumenelement umgeben), dass eine Änderung der Position des Volumenelementes innerhalb der Probe in der z-Richtung Reaktionen von verschiedenen Tiefen der Probe vorsehen wird. Dies erlaubt im wesentlichen eine Analyse in vivo von Geweben bei verschiedenen Tiefen, solange wie die Gesamtabsorption des Beleuchtungsstrahls durch das Gewebe und die Reaktionen auf den Strahl nicht übermäßig sind.
In Fig. 3 wird eine leicht andere Ausführungsform einer Anordnungsvolumenmikrosonde 30 der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das System umfasst eine Lichtquelle 31 mit einer geeigneten Optik (nicht gezeigt), um einen gemeinsamen Feldstopp 41 durch eine Verdichtungslinse 32 auf eine adressierbare Verschlussanordnung 34 zu projizieren. Jedes Element in der adressierbaren Verschlussanordnung kann als ein Aperturstopp betrachtet werden, der dazu dient, die räumliche Verteilung des Lichts, das auf eine Probe 37 auftrifft, weiter zu begrenzen. An Stelle einer Verwendung eines großen Einzelobjektivs (wie in der in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform verwendet), um den Feldstopp auf jedem Volumenelement in der Probe 37 abzubilden, wird eine Linsenanordnung 36 zwischen die Verschlussanordnungen und die Probe geschoben. Die Linsenanordnung 36 besteht aus einer Vielzahl von Mikrolinsen 42. Die Periodizität der Linsenanordnung ist genau die gleiche wie die der Verschlussanordnung, und jede Linse 42 innerhalb der Linsenanordnung 36 entspricht einem Lichtventil 38 innerhalb der Lichtverschlussanordnung 34. In den meisten Ausführungsformen würde das Licht, das auf die Verschlussanordnung auftrifft, parallel gerichtet, und die Verschlussanordnung wäre in einer Position bezüglich der Linsenanordnung fixiert. Das untersuchte Volumenelement würde an dem Brennpunkt der Objektivlinse innerhalb der Mikrolinsenanordnung sein, und eine Bewegung der Kombination der Verschluss- und Linsenanordnung in der z-Richtung kann verwendet werden, um verschiedene Schichten innerhalb der Probe zu untersuchen, wie oben bei Beschreibung der Anordnungsvolumenmikrosonde von Fig. 2 erläutert. Man kann jedoch andere Anordnungen konzipieren, wo die Linsenanordnung und die Verschlussanordnung fähig sind, sich unabhängig zu bewegen, und eine Untersuchung der Probe in der z-Richtung wird durch Übersetzung in der z- Richtung der Linsenanordnung allein erreicht:
Lichtreaktionen auf Erregungsstrahlung von der Lichtquelle 31 von jedem der abgetasteten Volumenelemente werden durch die gleichen Objektivelemente gesammelt, durch die eine Beleuchtung bewirkt wird. Die Lichtreaktionen werden von dem Beleuchtungsstrahl durch die Strahlsplitteinrichtung 35 getrennt. Diese Reaktionen werden dann über eine Sammellinse 33 auf einen Sammelfeldstopp 43 abgebildet, der die Reaktionen begrenzt, die durch einen Sensor 39 empfangen werden, im wesentlichen nur von dem untersuchten Volumenelement zu sein. In einer Operation öffnet die Steuervorrichtung 18 einen gegebenen Verschluss und erlaubt die Beleuchtung eines einzelnen Volumenelementes. Des weiteren erlaubt der gleiche Lichtverschluss optische Reaktionen auf die Erregung, um durch den Detektor 39 aufgezeichnet zu werden. Diesem folgt Schließen des Lichtventils und Öffnen eines anderen Lichtventils, sodass diskrete Volumenelemente innerhalb der Probe sequenziell abgetastet werden, um optische Reaktionen davon zu erhalten. Man kann alle gewünschten Volumenelemente in der Anordnung in einer gegebenen Ebene x, y abtasten und kann dann die Anordnung bei einer anderen Tiefe (in der z-Achse) derart erneut abtasten, um dreidimensionale Information über die Zielprobe zu erhalten. Man kann auch wählen, die Anordnungsvolumenmikrosonde auf eine derartige Weise zu betreiben, dass für jeden Pixel das jeweilige Lichtventil 38 offen gehalten wird, während die Steuervorrichtung veranlasst, dass sich die Verschlussanordnung gemeinsam mit der Linsenanordnung in der z- Richtung bewegt, wobei somit Volumenelemente an dem gleichen x, y-Standort an verschiedenen Tiefen der Einzelprobe untersucht werden.
In noch einer anderen Ausführungsform der Anordnungsvolumenmikrosonde sind die Beleuchtungs- und Erfassungsoptik jede mit ihrer eigenen Anordnung von Optikverschlüssen versehen. In Fig. 4 wird eine derartige Ausführungsform schematisch gezeigt. Speziell umfasst die Anordnungsvolumenmikrosonde 50 eine Lichtquelle 51, einen ersten Feldstopp 52, eine Kollimationslinse 53, eine erste Verschlussanordnung 54, eine erste Objektivlinsenanordnung 55, eine Strahlsplitteinrichtung 56, eine zweite Objektivlinsenanordnung 58, eine zweite Verschlussanordnung 59, eine zweite Kollimationslinse 60, einen zweiten Feldstopp 61 und einen Detektor 62. Nicht gezeigt werden in Fig. 4 geeignete Mittel, um die Lichtquelle 51 und Detektor 62 auf ihren jeweiligen Feldstopps 52 und 61 abzubilden. In einer Operation wird die Lichtquelle 51 auf den Feldstopp 52 abgebildet, der Abmessungen hat, die größer als die Beugungsauflösungsgrenzen der Erregungsstrahlung sind. Das Licht, das von den Feldstopp 52 entspringt, wird in einen im wesentlichen parallelen Strahl gerichtet, der auf die Rückseite der Verschlussanordnung 54 auftrifft. Zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt ist nur eines der Lichtventile in der Lichtverschlussanordnung geöffnet und sein entsprechendes Lichtventil in der Detektorverschlussanordnung ist geöffnet. Die sequenzielle Beleuchtung einer Anordnung von Volumenelementen innerhalb der Probe stellt auf eine Art und Weise, die der oben beschriebenen ähnlich ist, gekoppelt mit der synchronen Öffnung des geeigneten Lichtventils in der Detektoranordnung, sicher, dass zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt nur Reaktionen von dem untersuchten Volumenelement erfasst werden. Ähnlich wird eine Abtastung in der x, y-Richtung durch Steuervorrichtung 18 vorgesehen, die die Öffnung und Schließung der Lichtventile in den beiden Verschlussanordnungen in Synchronismus sequenzialisiert. Es sollte verstanden werden, dass in dieser Ausführungsform die beiden Feldstopps 52 und 61 miteinander über jedes der Volumenelemente 63 in der Probe 57 gepaart sind.
In Fig. 4A wird eine Anordnung gezeigt, die der in Fig. 4 beschriebenen im wesentlichen identisch ist, mit Ausnahme dessen, dass die Anordnung von Mikrolinsen 58 durch eine einzelne große Linse 58' ersetzt wird. Gleiche Elemente in Fig. 4 und 4A haben die gleichen Bezugszeichen.
Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 5 dargestellt, die eine Anordnungsvolumenmikrosonde 70 zeigt. Das System umfasst eine Lichtquelle 71 und einen Detektor 72, deren optische Achsen zueinander orthogonal sind und die durch eine erste Strahlsplitteinrichtung 73 getrennt sind. Das Licht, das der Quelle entspringt, wird auf eine Anordnung von Feldstopps 74 mit einer Verdichtungslinse 75 und einer zweiten Strahlsplitteinrichtung 76 verdichtet. Die Anordnung von Feldstopps 74 besteht aus einer Anordnung von Mikrospiegeln 78, die in und aus einer Ebene geneigt werden können, die im wesentlichen parallel zu der Ebene der Anordnung ist. Licht, das von einem beliebigen dieser Spiegel reflektiert wird, während er in der nicht geneigten Position ist, wird durch die zweite Strahlsplitteinrichtung 76 zurück reflektiert und wird auf eine Probe 79 mit einer Objektivlinse 77 abgebildet. Wie in Fig. 5 gezeigt, ist zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt nur ein Spiegel 78 ausgerichtet, Licht auf die Probe zu reflektieren. Alle anderen Mikrospiegel in der Anordnung sind geneigt, sodass Licht, das auf ihnen auftrifft, von der Probe weg reflektiert wird. In Fig. 5 sind Strahlen 1 und 4 begrenzende Strahlen für das gesamte Feld, und Strahlen 2 und 3 sind begrenzende Strahlen für einen einzelnen Mikrospiegel. In einer Operation werden die Mikrospiegel 78 durch die Steuervorrichtung 18 sequenziell in die nicht geneigte Position gebracht, und als ein Ergebnis dieses sequenziellen Zurückneigens von Mikrospiegeln wird eine Folge von Reaktionen von Volumenelementen in der Probe 79 in dem Detektor 72 aufgezeichnet. Eine künstliche Abbildung von den Reaktionen kann dann aufgezeichnet und angezeigt werden. Wie in früheren Ausführungsformen kann eine Erforschung der Probe mit der Volumenmikrosondenanordnung in der z-Richtung (Tiefe) durch entweder Bewegung der Objektivlinse 77 oder der Anordnung 74 in der z-Richtung erreicht werden.
Die Steuerung der Neigungsspiegel wird durch Steuervorrichtung 18 durchgeführt, und der Neigungsmechanismus kann auf eine Vielzahl von Wegen implementiert werden, die im Stand der Technik gut bekannt sind. Zum Beispiel können die Spiegel in Silizium mikro-bearbeitet werden, was einen Ausleger in der Mitte des Rückens der Spiegel hinterlässt. Zwei entgegenliegende Elektroden veranlassen den Spiegel, sich über den Ausleger wegen einer Aufladung einer oder der anderen Elektrode mit einer Ladung entgegengesetzt zu der Ladung des Spiegel selbst zu neigen. Ein anderes Verfahren zum Erhalten von Neigungsspiegeln ist in der Technik von deformierbaren Spiegeln gut bekannt, wodurch jeder Mikrospiegel an einem bipolaren piezoelektrischen Element befestigt ist.
Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung, eine Variation der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform, wird in Fig. 6 gezeigt. Eine Anordnungsvolumenmikrosonde 80 umfasst eine Lichtquelle 81, von der Licht konditioniert wird, um einen ersten Feldstopp (nicht gezeigt) und eine Linse 82 zu durchlaufen. Das Licht wird auf eine Anordnung von Mikrospiegeln 83 parallel gerichtet. Die Mikrospiegel sind neigbar, wie oben beschrieben. Jeder der Mikrospiegel ist jedoch geformt, ein Achsenversatzsegment eines Rotationsparaboloiden mit seinem Brennpunkt, einem Bogen eines Radius folgend zu sein, der etwas größer als der Abstand der Anordnung von der Probe ist. Die Geometrie ist derart, dass wenn die Spiegel nicht geneigt sind (parallel zu der Ebene der Anordnung), die Achse des Rotationsparaboloiden (von der der spezielle Spiegel ein Achsenversatzsegment ist) senkrecht zu der Ebene der Anordnung ist. Somit ist eine Linie zwischen dem Brennpunkt (des Rotationsparaboloiden) und dem Mikrospiegel bei einem vorbestimmten Winkel zu der Normalen der Anordnung. Die Mikrospiegel können durch diesen Winkel derart geneigt sein, um den Brennpunkt des Paraboloiden auf die Probe zu bringen.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Mikrospiegel in alternierenden rechten Zeilen 89 und linken Zeilen 88 von Achsenversatzsegmenten eines Paraboloiden angeordnet. Die rechten Spiegel können die Erregungsspiegel und die linken Spiegel die Erfassungsspiegel genannt werden. Die Brennpunkte von jedem Segment von rechten Zeilen 89 befinden sich beim Neigen bei dem oben erwähnten Winkel innerhalb der Probe bei dem Volumenelement 85, und seine jeweilige Rotationsparaboloidenachse ist parallel zu der optischen Achse des Erregungsstrahls, während das Neigen in der entgegengesetzten Richtung (bei dem gleichen Winkel) von jedem Mikrospiegel in einer benachbarten linken Zeile den Brennpunkt von jedem Mikrospiegel veranlasst, sich zu dem gleichen Volumenelement (85) in der Probe 84 zu bewegen, und seine jeweilige Rotationsparaboloidenachse ist parallel zu der optischen Achse des Detektors.
Somit werden alle Spiegel in der rechten Zeile 89 verwendet, das Volumenelement 85 in der Probe 84 zu erregen, und alle linken Zeilen 88 werden verwendet, Reaktionen vom Volumenelement 85 zu sammeln. In einer Operation ist zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt nur ein Paar von Spiegeln geneigt und die Achsen von allen anderen Spiegeln zeigen abwärts in Richtung der Probe. Als ein Ergebnis wird ein Erregungsstrahl von der Lichtquelle 81 auf das Volumenelement 85 abgebildet, oder genauer wird der erste Feldstopp so abgebildet, während Licht, das auf alle anderen Spiegeln auftrifft, von der Probe weg in alle Richtungen zerstreut wird. Ähnlich werden nur Reaktionen, die von dem Volumenelement 85 entspringen, zurück auf den zweiten Feldstopp vor dem Detektor abgebildet. Als ein Ergebnis wird ein sehr hohes Maß einer Unterscheidung erhalten, da sich die Intensität des Erregungsstrahls außerhalb von Volumenelement 85 sehr rasch verringert, und Reaktionen von außerhalb von Volumenelement 85 im wesentlichen durch den zweiten Feldstopp vor dem Detektor 87 abgeblockt werden. Die Steuervorrichtung 18 steuert die Folge einer Neigung von jedem Paar von Spiegeln, um eine Anordnung von Reaktionen von unterschiedlichen Volumenelementen in der Probe zu erhalten. Die Tiefe des Volumenelements in der Probe wird auch durch die Steuervorrichtung 18 durch Bewegung der Gesamtanordnung 83 entlang der z-Achse zu oder von Probe 84 gesteuert.
Eine leicht modifizierte Ausführungsform der in Fig. 6 gezeigten Volumensondenanordnung wird in Fig. 6A gezeigt. Diese Ausführungsform erlaubt eine Verwendung von jedem Achsenversatzparabolmikrospiegel sowohl als einen Erregungs- als auch einen Erfassungsspiegel. Das System entspricht dem in Fig. 6 gezeigten und oben beschriebenen mit Ausnahme dessen, dass die Mikrospiegel von Anordnung 83' von der Volumensondenanordnung 80' um 90º nach rechts oder links gedreht sind. Somit ist in der nicht gedrehten Position die Umdrehungsachse (und somit die optische Achse) von jedem Spiegel bei 90º zu der optischen Achse der Erregungs- und Erfassungsoptik. Wenn jedoch ein Spiegel 89' um 90º nach rechts gedreht ist, wird seine Umdrehungsachse parallel zu der Achse der Erregung, und der Brennpunkt des Achsenversatzparabolmikrospiegels ist in Volumenelement 85'. Wenn ein benachbarter Spiegel 88' gleichzeitig um 90º nach links gedreht ist, dann wird seine Umdrehungsachse parallel zu der Erfassungsoptik, und sein Brennpunkt ist in Volumenelement 85'. Das Volumenelement 85' wird durch die Überlappung der Abbildungen der beiden Feldstopps bestimmt, wie detailliert in der gemeinsam anhängigen Anmeldung Seriennummern 08/510,041 und 08/510,043 beschrieben. In dieser Ausführungsform wird, ebenso wie der einen in Fig. 6 gezeigten, gescherte Paarung der Erregungs- und Erfassungsoptikfeldstopps verwendet, um eine räumliche Unterscheidung des Erregungsstrahls zu dem Zielvolumenelement ebenso wie die räumliche Unterscheidung der erfassten Reaktionen vorzusehen, im wesentlichen von jedem Volumenelement zu sein. In einer Operation veranlasst die Steuervorrichtung 18 zwei benachbarte Mikrospiegel (89' und 88'), gleichzeitig gedreht zu werden, wie oben beschrieben, und sieht somit eine Erregung von im wesentlichen nur dem gewünschten Volumenelement 85' und Reaktionen, die im wesentlichen von dem Volumenelement 85' entspringen, vor.
Ein Vorteil der in Fig. 6A gezeigten Ausführungsform ist, dass eine höhere Auflösung von Volumenelementen für die gleiche Dichte von Mikrospiegeln möglich ist, da jeder Spiegel verwendet werden kann, um entweder ein Volumenelement zu erregen oder Reaktionen von einem benachbarten Volumenelement zu sammeln. Dies unterscheidet sich von der in Fig. 6 gezeigten Ausführungsform, wo alle linken Spiegel nur verwendet werden können, um Reaktionen zu sammeln, und alle rechten Spiegel nur verwendet werden können, um Volumenelemente zu erregen. In der Ausführungsform von Fig. 6 liegt die Neigung der Achsenversatzparaboloiden von jedem Segment in einer Ebene senkrecht zu der Ebene der Anordnung, während in der Ausführungsform von Fig. 6A die Rotationsebene parallel zu der Ebene der Anordnung ist.
In Fig. 7 wird noch eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Eine Anordnungsmikrosonde 90 umfasst einen Beleuchtungsoptikaufbau mit einer Lichtquelle 91 und einer ersten Kollimationslinse 92, und einen Reaktionssammeloptikaufbau mit einem Detektor 93 und einer zweiten Kollimationslinse 94. Die jeweiligen optischen Achsen des Lichtquellenaufbaus und des Detektoraufbaus sind bei 90º zueinander. Eine Strahlsplitteinrichtung 95 ist an dem Schnittpunkt des Erregungs- und Erfassungsstrahls derart positioniert, um das erfasste Signal von dem Erregungssignal zu trennen. Eine Linse 96 wird verwendet, um den Erregungsstrahl in eine optische Faser 102 zu fokussieren, die sich in einem Anschluss mit einem Faserschaltelement 97 befindet. Das Faserschaltelement 97 ist an der entgegenliegenden Seite mit einer Vielzahl von Fasern 98 terminiert, und das Schaltelement ist zum optischen und sequenziellen Verbinden (unter der Steuerung der Steuervorrichtung 18) der proximalen Faser 102 mit einer beliebigen der Fasern 98 in dem distalen Bündel fähig. Die Enden der einzelnen Fasern in dem Bündel sind dann in einer Anordnung 99 angeordnet (diese Anordnung kann entweder eine lineare Anordnung oder eine zweidimensionale Anordnung sein). Eine Objektivlinse 100 bildet dann die jeweiligen Enden der Fasern in dem Faserbündel auf die Einzelprobe ab. Jedes einzelne Faserende (innerhalb des Faserhalters) definiert einen Feldstopp, der auf die Probe abgebildet wird. Dieser Feldstopp dient als ein Feldstopp für sowohl den Erregungsstrahl als auch die erfassten Reaktionen von der Probe. Wie detaillierter in der gemeinsam anhängigen Anmeldung Seriennummern 08/510,041 und 08/510, 043 beschrieben, bezieht eine derartige Einrichtung die Paarung von sowohl der Erregungs- als auch Erfassungsoptik über die Volumenelemente ein, in denen der Feldstopp abgebildet wird, und sieht somit eine räumliche Unterscheidung von sowohl dem Erregungsstrahl als auch den Reaktionen vor, um im wesentlichen von jedem Volumenelement zu sein, das mit jeder Faser in der Anordnung verbunden ist.
In einer Operation richtet das Faserschaltelement 97 den Erregungsstrahl sequenziell durch alle Fasern in dem Bündel 98. Als ein Ergebnis wird eine Vielzahl von Volumenelementen in der Probe 101 (mit einer Verteilung entsprechend der Anordnung von Fasern in dem Bündel 98) sequenziell erregt. Reaktionen werden durch den gleichen Feldstopp gesammelt (die natürliche Apertur von jedem Faserende) und von dem Erregungsstrahl durch die Strahlsplitteinrichtung 95 getrennt, um im Detektor 93 erfasst zu werden. Auf diese Art und Weise erhält man Reaktionen von einer Anordnung von Volumenelementen, die dann als eine künstliche Abbildung der Probe angezeigt werden können. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine höhere Intensität einer Erregung möglich ist, da die Lichtquelle sequenziell durch die unterschiedlichen Fasern in dem Bündel verwendet wird.
In Fig. 8 wird noch eine andere Ausführungsform einer Volumenmikrosondenanordnung 110 gezeigt. Die Vorrichtung umfasst zwei optische Aufbauten, einen Erregungs- oder Quellenaufbau 111 und einen Detektoraufbau 112. Jeder der Aufbauten ist in einem Anschluss mit seinem eigenen individuellen Faserbündel 113 bzw. 114. Die einzelnen Fasern sind in einer Ausführungsform in zwei Zeilen 116 bzw. 117 in einem Faserhalter 115 organisiert. Wenn eine lineare Anordnung gewünscht ist, sind die Fasern in zwei entgegenliegenden Zeilen organisiert, wobei eine Zeile aus den Erregungsfasern in Bündel 113 und die andere Zeile von Erfassungsfasern in Bündel 114 besteht. Wenn eine zweidimensionale Anordnung gewünscht ist, sind die Fasern in abwechselnden Zeilen von Erregungsfasern und Erfassungsfasern mit einer kleinen Neigung von derartigen Zeilen in Bezug auf einander organisiert. Die Erregungsoptik 111 umfasst eine Lichtquelle 118 und eine Fokussierungsoptik 119, die die Ausgabe der Lichtquelle auf jeder Faser in dem Bündel 113 sequenziell fokussieren kann. Es wird ein Rotationsspiegel 120 verwendet, um die Lichtquelle auf die Öffnungsaperturen der Fasern in dem Bündel 113 zu indizieren. Man sollte erkennen, dass die Eingangsapertur der Erregungsfasern auf eine geeignete Weise terminiert werden kann, um eine Sammlung des Lichts von dem Rotationsspiegel zu verbessern. Eine derartige Terminierung kann umfassen, ist aber nicht begrenzt auf, Flimmern von dem Eingangsende der Faser, oder eine Terminierung von jeder Faser mit einem kleinen Verbindungsparabolkonzentrator, wie im Stand der Technik gut bekannt ist.
In einer Operation veranlasst die Steuervorrichtung 18 die inkrementelle Rotation des Spiegels 120 derart, um den Erregungsstrahl auf Fasern in Bündel 113 sequenziell zu richten. Dieses Licht entspringt dann durch einen Erregungsfeldstopp an jedem distalen Ende der Faser, wobei der Feldstopp im wesentlichen die Apertur von jeder Faser ist. Diese Feldstopps werden auf eine Probe 124 mit einer Objektivmikrolinse an dem Ende von jeder Faser abgebildet. Die distalen Enden von sowohl Erregungs- als auch. Erfassungsfasern sind in Mikrolinsen terminiert, die als Objektive dienen. Die Erregungs- und Erfassungsfasern können bei einem leichten Winkel zueinander sein, und eine gescherte Paarung von ihren jeweiligen Feldstopps (Faseraperturen) definiert die untersuchten Volumenelemente. Die Volumenelemente in der Probe werden eine Spiegelabbildung der Fasereinrichtung sein, nämlich eine Zeile oder eine Anordnung von Punkten, abhängig von der Organisation der Fasern in dem Faserhalter 115. Der Abstand zwischen den Volumenelementen kann der gleiche wie der zwischen den Fasern in dem Faserhalter sein oder kann sich von der Zwischenbeabstandung von den Fasern in dem Faserhalter unterscheiden, und wird von der Vergrößerung einer Weitergabelinse 125 abhängen. In einigen Ausführungsformen kann man eine Bewegung der Weitergabelinse bezüglich des Faserhalters derart erlauben, um eine Vergrößerung (oder Verkleinerung) vorzusehen. Es wird jedoch auch die Größe von jedem Volumenelement etwas modifiziert.
Diese Konfiguration erlaubt die sequenzielle Beleuchtung einer Anordnung von Volumenelementen in Probe 124. Ein erregtes Volumenelement wird eine Reaktion auf den Erregungsstrahl emittieren. Um sicherzustellen, dass Reaktionen, die im wesentlichen nur von dem gewünschten Volumenelement entspringen, erfasst werden, werden die Reaktionen mit einer dedizierten Faser von Bündel 114 gesammelt. Die Optik ist derart konfiguriert, dass die jeweiligen Feldstopps der Reaktionsfasern (ihre natürliche Apertur) jede mit dem jeweiligen der Feldstopps der zugehörigen Erregungsfaser gepaart sind. Als ein Ergebnis dieser Paarung (oder genauer gescherten Paarung, da die Erregungs- und Erfassungsfeldstopps leicht voneinander beabstandet sind), hat der Erregungsstrahl seine höchste Intensität innerhalb der Probe innerhalb der Zone von gescherter Paarung (das untersuchte Volumenelement), und die Intensität verringert sich sehr rasch außerhalb des Volumenelements. Des weiteren entspringen Reaktionen, die durch jede Erfassungsfaser gesammelt werden, im wesentlichen nur von dem Volumenelement, und eine beliebige Reaktion, die von benachbarten Geweben gesammelt wird, ist bezüglich der Reaktion, die von der Zone gescherter Paarung der Erregungs- und Erfassungsfeldstopps erhalten wird, relativ klein.
Da die Erregung der Anordnung von Volumenelementen sequenziell ausgeführt wird, wird eine Reaktion durch das Faserbündel 114 sequenziell zu der Erfassungsoptik 112 übertragen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Reaktionsoptik einen Empfangsrotationsspiegel 123, der die Reaktionen durch eine Fokussierungslinse 122 zu einem Detektor 121 richtet (sequenziell und in Synchronismus zu dem Erregungsspiegel 120). Dies stellt sicher, dass Streureaktionen (nämlich Reaktionen, die von außerhalb der Zone gescherter Paarung entspringen und somit außerhalb des Zielvolumenelements sind) und durch benachbarte Fasern gesammelt werden, den Detektor nicht erreichen. Auf diese Art und Weise wird wie zuvor räumliche Unterscheidung erhalten, und es wird eine sequenzielle Erfassung von Reaktionen von speziellen Volumenelementen erreicht.
In dieser Ausführungsform wird die Verwendung einer Strahlsplitteinrichtung vermieden, und an dem distalen Ende der Vorrichtung wird nur eine sehr einfache Optik verwendet. Eine derartige Vorrichtung ist besonders geeignet, wenn ein Abstand zwischen der Probe und der Optik (Quelle und Detektor) erforderlich ist, wie etwa in Laparoskopie- und Endoskopie- Vorrichtungen. Diese Ausführungsform hat den zusätzlichen Vorteil, dass höhere Erregungsenergien möglich sind, da die Lichtquellenressourcen nicht gleichzeitig über eine ganze Anordnung wie in einigen oben beschriebenen Ausführungsformen verteilt sind, und ist in dieser Hinsicht der in Fig. 7 gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich.
In Fig. 9 und 10 werden zwei zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung gezeigt, die sich voneinander nur in der Position in dem System der adressierbaren Lichtverschlüsse unterscheiden. In Fig. 9 wird eine Volumenmikrosondenanordnung 130 gezeigt, die eine Lichtquelle 131, einen Detektor 132 und ein Optikfaserbündel 133 umfasst. Das proximale Ende des Optikfaserbündels befindet sich im Anschluss zu einer adressierbaren Anordnung von Optikverschlüssen 134. Die Optikverschlüsse sind unter der Steuerung der Steuervorrichtung 18. Jede Faser in dem Bündel 113 ist in einer Anordnungseinrichtung positioniert, die der adressierbaren Lichtverschlussanordnung entspricht. Die Lichtquelle 131 ist mit der Lichtverschlussanordnung über eine Verdichtungslinse 135 und eine Verschlussanordnungskopplungslinse 136 gekoppelt. Als ein Ergebnis wird Licht von der Lichtquelle über die Lichtverschlussanordnung verteilt, und wenn einer der Verschlüsse in der geöffneten Position ist, wird Licht zu der spezifischen Faser gesendet, die mit diesem spezifischen Verschluss gekoppelt ist. An dem distalen Ende des Faserbündels hat die Vorrichtung eine Objektivoptik 137, die im wesentlichen jede der Aperturen 138 der Fasern auf einer Probe 139 abbildet. Die distalen Aperturen der Fasern agieren im wesentlichen als die Erregungs- und Erfassungsfeldstopps für jede der Volumenmikrosonden in der Volumenmikrosondenanordnung 130 dieser Ausführungsform. Reaktionen auf die Erregungssignale, die von Volumenelementen in der Probe emittiert werden, werden durch die Fasern durch die gleiche Objektivoptik 137 und die gleichen Fasern gesammelt, durch die Erregung übertragen wurde.
Da die Feldstopps von sowohl der Erregungs- als auch Erfassungsoptik innerhalb des untersuchten Volumenelements gepaart sind, sind die Erregungen und Reaktionen auf die einzelnen Volumenelemente begrenzt, die durch jede Faser untersucht werden. In einer Operation wird die Lichtverschlussanordnung durch die Steuervorrichtung 18 gesteuert, um die Lichtverschlüsse vor dem Faserbündel sequenziell auf eine derartige Weise zu öffnen, dass nur eine Faser zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt gespeist wird. Somit kann durch die synchrone Erfassung von Reaktionen von Fasern, die mit einem geöffneten Verschluss gekoppelt sind, ein vollständiges künstliches Abbild von Pathologien in der Zielprobe aufgebaut werden. Wie in einigen der oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Reaktion von der Erregung durch eine Strahlsplitteinrichtung 140 getrennt, die bei 45º zu der optischen Achse der Erregungsoptik und der Erfassungsoptik positioniert ist.
In Fig. 10 wird eine ähnliche Volumenmikrosondenanordnung 150 dargestellt. Der wesentliche Unterschied ist, dass eine Verschlussanordnung 154 an dem distalen Ende des Faserbündels positioniert ist. Dies erlaubt eine Auswahl einer Anordnung von Feldstopps, die durch jede der Aperturen innerhalb der Verschlussanordnung anstatt durch die einzelnen Aperturen der optischen Fasern bestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen der oben beschriebenen Volumenmikrosondenanordnungen wird eine Vielzahl von Detektoren entsprechend benachbarten ganzen Regionen der Verschlussanordnung eingesetzt. Jeder Detektor nimmt Reaktionen von einer Teilanordnung der Lichtverschlussanordnung und somit von der Probe an. In diesen Ausführungsformen wird eine Datensammlung durch die gleichzeitige Öffnung eines Lichtventils in jeder der Teilanordnungen in der Lichtverschlussanordnung und eine Erfassung der Reaktion in ihren jeweiligen Detektoren beschleunigt. Bei Verwendung dieses Ansatzes muss dafür Sorge getragen werden sicherzustellen, dass Interferenzen (oder Rauschen) von Reaktionen außerhalb jeder spezifischen Region kleiner als ein voreingestellter Wert der erwarteten Reaktion von der Probe in jeder Region sind.
In mehreren oben beschriebenen Ausführungsformen wird eine Anordnung von Lichtverschlüssen eingesetzt, um die Erregung einer Anordnung von Volumenelementen in der Probe zu sequenzialisieren ebenso wie Reaktionen von den Volumenelementen zu sammeln. In einigen Ausführungsformen dient jeder Verschluss als ein Erregungs- und Erfassungsfeldstopp, während in anderen Ausführungsformen andere optische Elemente in dem System die Funktion des Feldstopps durchführen. Derartige Lichtverschlüsse sind im Stand der Technik gut bekannt und wurden in einer Reihe von Anzeigevorrichtungen verwendet, wodurch die Folge von Öffnungs- und Schließmengen von optischen Verschlüssen, die zurück beleuchtet werden, entweder eine feste oder zeitlich variable Abbildung vorsehen.
Die tatsächlichen Ausführungsformen derartiger Verschlüsse im Stand der Technik können viele Formen annehmen. Die am meisten verwendete Lichtverschlussanordnung ist eine Anordnung aus Flüssigkeitskristallelementen mit zwei Lagen eines Polarisiers, je einer an der Vorderseite und der Rückseite der Anordnung. An jedes Element in der Anordnung kann eine Spannung angelegt werden. Wenn die Spannung ausreichend hoch ist, verursacht der Flüssigkeitskristall eine Rotation der Polarisationsebene von Licht, die sie durchläuft. Die beiden Polarisierer sind auf eine derartige Weise ausgerichtet, dass kein Licht durch ein Element verläuft, wenn keine Spannung angelegt ist. Somit sind die Polarisierer über Kreuz polarisiert (ihre relative Ausrichtung ist 90º, wobei somit der erste Polarisierer alles Licht entfernt, das in einer Richtung polarisiert ist, während der zweite Polarisierer das Licht blockiert, das das dann inaktive Flüssigkeitskristallelement durchläuft). Wenn eine ausreichend hohe Spannung angelegt wird, wird die Polarisationsebene des Lichts, das die Flüssigkeitskristallzelle durchläuft, gedreht, sodass der zweite Polarisierer für das Licht, das die aktive Flüssigkeitskristallzelle durchläuft, im wesentlichen transparent ist. Die Adressierung kann wie im Stand der Technik ausgeführt werden, entweder als Zeile oder Spalten, sodass nur die Summe von Spannungen, die an sowohl eine Zeile als auch eine Spalte angelegt werden, ausreichend ist, die gewünschte Rotation vom polarisierten Licht zu bewirken. Da die Abmessungen von unseren Lichtverschlüssen relativ groß sind und die Anzahl von Verschlüssen bezüglich der gegenwärtigen Praxis in einer Flüssigkeitskristallanzeige klein ist, ist eine derartige Adressierung völlig ausreichend, und Nebensprechen ist minimal und unbedeutend angesichts der starken räumlichen Unterscheidung wegen der Paarung der Erregungs- und Erfassungsfeldstopps.
Wenn sehr große Anordnungen erwünscht sind, können ebenso Ansätze praktiziert werden, wie sie in einer Flüssigkeitskristallanzeige mit aktiver Matrix verwendet werden (nämlich die Aktivierung eines Pixels durch das direkte Schalten eines einzelnen Transistors bei jedem Pixel).
In noch einer anderen Ausführungsform besteht die Verschlussanordnung aus ferroelektrischen Elementen, die auf eine Art und Weise aktiviert werden, die der von Flüssigkeitskristall- Lichtverschlussanordnungen ähnlich ist. Diese Verschlussanordnungen sind nützlich, wenn die gewünschte Schaltrate, nämlich die Rate einer Öffnung und Schließung eines gegebenen Lichtverschlusses in der Anordnung, schneller ist.
In noch einer anderen Ausführungsform ist das Lichtschaltmedium ein Polymerdispersions-Flüssigkeitskristall (PDLC). In derartigen Schichten ist eine Dispergierung von Tröpfchen eines Flüssigkeitskristalls in einem Polymer mit einer Brechzahl gleich der feldorientierten Brechzahl der Flüssigkeitskristalldispergierung eingebettet. Wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, sind die Tröpfchen zufällig ausgerichtet und Licht wird in allen Richtungen zerstreut. Somit kann der Verschluss als geschlossen betrachtet werden. Wenn ein ausreichend großes elektrisches Feld an ein PDLC-Element angelegt wird, richten sich die Flüssigkeitskristalltröpfchen selbst mit dem Feld aus und somit in der Richtung des Feldes, die Brechzahl ist im wesentlichen konstant und Licht durchläuft ohne Unterbrechung. Somit ist der Verschluss geöffnet.
In noch einer anderen Ausführungsform werden im wesentlichen elektromechanische Verschlüsse verwendet. Derartiges kann einfach mit piezoelektrischen Bimorphen implementiert werden, die sich, wenn betätigt, aus dem Lichtpfad biegen, und wenn sie inaktiv sind, eine gerade Geometrie annehmen, die eine Lichtübertragung durch einen gegebenen Verschluss blockiert.
In Fig. 13a wird eine Draufsicht einer Lichtverschlussanordnung 310 gezeigt. Diese Verschlussanordnung besteht aus zwei Hauptelementen, einem passiven Basiselement, in dem eine Anordnung von Perforierungen 311 und eine Anordnung 320 aus aktiven Flags 321 vorgesehen sind. Die passive Basis kann aus einer geeigneten Plastik, Metall oder selbst Silizium hergestellt werden. In der gegenwärtigen Ausführungsform haben die Perforierungen 311 einen Durchmesser von ungefähr 0,1 mm und sind auf einem Gitter beabstandet, in dem der Zwischenraum zwischen den Perforierungen ungefähr 1,0 mm ist. Es sollte verstanden werden, dass andere Abmessungen gewählt werden können, ohne von den Unterweisungen der Erfindung abzuweichen. Die Perforierungen, die vorzugsweise mit ihren Basen an dem proximalen Ende und ihren abgeschnittenen Spitzen an dem distalen Ende vorzugsweise leicht konisch sind, dienen als Aufnahmen für optischen Fasern, wobei jede einen äußeren Durchmesser von 0,1 mm hat. Bei einer Herstellung können derartige Fasern zuerst eingefügt und an der Stelle zementiert werden, und dann wird die Oberfläche der passiven Basis mit den Fasern an Ort und Stelle optisch poliert um sicherzustellen, dass die Fasern mit der distalen Oberfläche der Basis bündig sind und einen akzeptablen optischen Abschluss haben. Die Oberfläche kann dann mit einer Antireflexionsbeschichtung derart behandelt werden, um optische Reflexionen von den distalen Enden der Fasern zu minimieren und sowohl die Beleuchtungs- als auch Signalsammlungseffizienz zu verbessern.
Die Anordnung 320 aus aktiven Flags 321 besteht aus zwei Lagen aus piezoelektrischem Material, wie etwa Polyvinyl- Difluorid (PVDF) mit Metallisierung auf beiden Seiten. Die beiden Lagen werden zuerst zusammen zementiert. (z. B. mit einem Akrylnitrilgemisch). Dann wird die Metallisierung geätzt, was ein Muster von Zeilen von Elektroden 323 hinterlässt, die mit gemeinsamen Führungen 322 (in Zeilen) an der Oberseite des Paars von PVDF-Lagen miteinander verbunden sind, wie in Fig. 13a gezeigt. Die Elektroden 323 haben die gleiche Geometrie wie die Flags 321 oder können nur etwas kleiner als die Flags sein. In Fig. 13b wird die Unterseite der Anordnung 320 aus aktiven Flags 321 gezeigt. Die Metallisierung der Unterseite wird geätzt, um zweite Elektroden 324 für jedes Flag vorzusehen, die mit Führungen 325 in Spalten miteinander verbunden sind. Nachdem beide Seiten der gepaarten PVDF-Lagen behandelt wurden, um Zeilen von Elektroden auf einer Seite und Spalten von Elektroden auf der entgegenliegend Seite zu hinterlassen, werden die Flags gebildet, wobei die Elektroden auf beiden Seiten kongruent sind (überlappend, aber durch die beiden Lagen aus PVDF voneinander beabstandet). Die Anordnung aus Flags 321 wird durch Lochung oder Ätzen von hufeisenartigen Perforierungen 326 um jedes der metallisierten Paare von entgegenliegenden Elektroden in der Anordnung herum geschaffen. Es sollte einem Durchschnittsfachmann offensichtlich sein, dass man wählen könnte, zuerst die Flags zu bilden und dann die überschüssige Metallisierung zwischen den Zeilen und Spalten von Elektroden wegzuätzen.
In einer Operation bewirkt die Anwendung einer Spannung auf eine Zeile von oberen Elektroden 323 durch die gemeinsame Führung 322, dass die obere Hälfte (gebildet durch die obere PVDF-Lage) der Flags 321 in dieser Zeile kürzer wird als in ihrem jeweiligen nichtgespeisten Zustand, während die Anwendung einer ähnlichen Spannung (aber von entgegengesetzter Polarität) an eine Spalte von unteren Elektroden 324 über eine gemeinsame Führung 325 bewirkt, dass die untere Hälfte (gebildet durch die untere PVDF-Lage) der Flags 321 in dieser Spalte bezüglich ihrem nichtgespeisten Zustand verlängert wird. Es wird angenommen, dass die geeigneten Spannungen auf eine spezifische Zeile durch Leiter 328 und keinen anderen und auf eine spezifische Spalte durch Leiter 327 und keinen anderen angelegt werden. Das Flag 329, das das einzige Flag ist, das zu diesem Zeitpunkt seine beiden oberen und unteren Elektroden gespeist hat, hat an seinem oberen Abschnitt eine Spannung, die bewirkt, dass seine obere Hälfte verkürzt wird, und hat an seinem unteren Abschnitt eine Spannung, die bewirkt, dass seine untere Hälfte verlängert wird. Als ein Ergebnis biegt sich Flag 329 nach oben und legt die Perforierung unter ihm frei, was einer Beleuchtung erlaubt, die Probe zu erreichen, und Reaktionen von der Probe erlaubt, die Apertur der optischen Faser zu erreichen und somit zu dem Sensor übertragen zu werden. Alle anderen Flags in der Zeile, die durch den Zeilenleiter 328 gespeist werden, haben keine Spannung an ihren jeweiligen unteren Elektroden, und ähnlich haben alle anderen Flags, die durch den Spaltenleiter 327 gespeist werden, keine Spannung an ihren jeweiligen oberen Elektroden. Somit wird nur das Flag 329, das gleichzeitig durch den Zeilenleiter 328 und den Spaltenleiter 327 gespeist wird, gezwungen, sich nach oben zu biegen. Man kann deshalb die Flags 321 in einer PVDF-Optikverschlussanordnung durch Anlegen einer geeigneten Spannung an eine gegebene Spalte und sequenzielles Anlegen von Spannungsimpulsen an die Zeilen betätigen, oder man kann zufällig ein Flag durch Anlegen der geeigneten Spannungen an seine Koordinatenzeile und Spalte aktivieren.
In Fig. 14 wird eine Variation einer PVDF-basierten Optikverschlussanordnung 330 gezeigt. PVDF-Flags 332 sind auf eine ähnliche Weise zu dem in Fig. 13a und 13B gezeigten und oben beschriebenen System strukturiert. Speziell sind zwei Lagen aus PVDF Rücken zu Rücken zementiert, und Flags 332 werden mit Elektroden gebildet, die an beiden Seiten an der oberen Seite in Spalten mit Führungen 333 verbunden sind und an der unteren Seite in Zeilen mit Führungen 334 verbunden sind. Dieser Aufbau wird auf einer Platine mit einer Anordnung von Perforierungen 331 überlagert. Die Flags sind bei 450 zu dem Hauptgitter ausgerichtet, um eine größere Bewegung des Flags zu erlauben. Dies ist wichtig, wenn die Fasern sehr große numerische Aperturen haben und die Strahlen, die von den Fasern entspringen, sich bei einem großen Winkel spreizen, und die Sammlungswinkel von Reaktionen von der Probe ähnlich groß sind. Die Operation dieser Anordnung folgt den oben beschriebenen Prinzipien. Insbesondere bewirkt die Anwendung einer Ansteuerspannung auf eine gegebene Spalte und eine gegebene Zeile die Betätigung des Flags in dieser Spalte und Zeile.
Dies sind nur zwei Beispiele von Ausführungsformen einer Optikverschlussanordnung, in denen die Betätigung der Optikverschlüsse auf einer Bewegung basiert, die durch piezoelektrische Bimorphe induziert wird. In einer anderen Einrichtung sind die Bimorphe in Zeilen senkrecht zu der Basisoberfläche der Anordnung eingerichtet, und jeder Bimorph hat ein Flag (parallel zu der Ebene der Anordnung und somit senkrecht zu dem Bimorph), das seine jeweilige Perforierung in der Anordnung abdeckt. Die Betätigung von jedem Bimorph bewirkt eine Bewegung parallel zu der Anordnungsoberfläche anstatt oberhalb der Oberfläche. Diese Ausführungsform ist etwas schwieriger zu implementieren, hat aber den Vorteil, dass eine kleinere Biegung des Bimorph erforderlich ist, besonders wenn die optischen Fasern, die in der Anordnung verwendet werden, eine große numerische Apertur besitzen.
In Fig. 15 wird noch eine andere Ausführungsform einer Anordnung von Optikverschlüssen gezeigt. In dieser Ausführungsform wird die Anordnung 340 am besten durch Techniken von Mikrobearbeitung von Siliziumwafern hergestellt. Während nachstehend eine bestimmte Reihenfolge einer Beschreibung der verschiedenen Elemente in der Anordnung folgt, ist diese Reihenfolge nicht notwendigerweise die Reihenfolge, die in dem Mikrobearbeitungsprozess verwendet wird. Perforierungen 341, durch die optische Fasern eingefügt werden, sind in einer Anordnung vorgesehen. In dieser Ausführungsform haben diese Perforierungen einen Durchmesser von ungefähr 0,1 mm und sind auf einem Gitter von 1,0 mm Beabstandung beabstandet. Jede Perforierung ist mit ihrem eigenen Verschluss 342 verbunden. Der Verschluss 342 besteht aus einem dünnen flexiblen Arm 343, der an einer Seite mit der Basisplatine 344 über eine Achse 345 verankert ist. An der entgegengesetzten Seite des Arms ist ein Flag 346 vorgesehen. Das Flag ist ausreichend groß, um seine jeweilige Perforierung 341 abzudecken, wenn der Verschluss in der geschlossenen Position ist. Zwei Serien von Stiften 347 und 348, die an entgegenliegenden Seiten des Arms 343 positioniert sind, sind mit geeigneten elektrischen Führungen (nicht gezeigt) verbunden. Ähnlich ist das Verschlusselement mit seiner eigenen elektrischen Führung (nicht gezeigt) verbunden.
Es gibt von dieser Ausführungsform eine große Anzahl von möglichen Variationen, und es werden einige dieser Variationen hier beschrieben. In einer Ausführungsform wird die Gesamtanordnung von Optikverschlüssen monolithisch aus einem einzelnen Wafer hergestellt. In diesem Fall werden der Arm und das Flag maschinell bearbeitet, um in der "geöffneten" Position 349 zu sein. Anderenfalls wird es unpraktisch, die Perforierungen zu, ätzen. In anderen Ausführungsformen wird die Anordnung aus zwei Stücken, die gemeinsam zementiert sind, hergestellt. Ein Stück kann die Anordnung von Armen enthalten, und das andere Stück kann die Anordnung von Perforierungen enthalten. Dann wird bevorzugt, die Ruheposition der Arme in der geschlossenen Position zu haben. Die Gruppe von Stiften 347 und 348 kann auf beliebigen der beiden Wafer sein, aus praktischen Gründen wird es aber bevorzugt, sie in der Anordnung von Armen zu produzieren. Es ist auch möglich, einen einzelnen gut positionierten Stift für die Gruppe von Stiften 347 und einen einzelnen gut positionierten Stift für die Gruppe von Stiften 348 vorzusehen. Die Wahl des spezifischen Entwurfs hängt von der dynamischen Reaktion ab, die von den Lichtverschlüssen in der Anordnung gefordert wird.
Die Operation des Arms als ein Lichtverschluss basiert auf der elektrostatischen Anziehung und Abstoßung, die durch die Ladung und Entladung von verschiedenen Gliedern des Aufbaus generiert wird. In einer Operation kann der Arm z. B. negativ geladen sein, und die distalen Stifte 347 können positiv geladen sein, um den Arm zu veranlassen, zu dieser Menge von Stiften angezogen zu werden. Um diese Aktion zu beschleunigen, können die proximalen Stifte 348 negativ geladen sein, um eine gleichzeitige Abstoßung des Arms zu bewirken. Es sollte verstanden werden, dass der tatsächliche Kontakt des Bewegungsarms mit beiden Gruppen von Stiften 348 oder 347 nicht erforderlich ist. Es wird bevorzugt, einen derartigen Kontakt tatsächlich zu vermeiden, und um dieses Ziel zu erreichen, kann der gesamte Aufbau behandelt werden, eine dünne Schicht aus Siliziumoxid als eine Isolation aufzuweisen, wobei somit ein derartiger Kontakt vermieden wird.
Um die Ansteuerung der Verschlussanordnung zu erleichtern wird bevorzugt, die Aktivierungsspannungen in Zeilen und Spalten anzulegen, und nur die gleichzeitige Betätigung einer gegebenen Spalte und einer gegebenen Zeile bewirkt eine Öffnung des Verschlusses an dem Schnittpunkt der gewählten Zeile und Spalte. Dies kann auf einer Vielzahl von Wegen erreicht werden. Es wird der Fall betrachtet, wo die Vorrichtung aus zwei unabhängigen Wafern hergestellt wird, sodass die Ruheposition des Arms in dem geschlossenen Zustand sein kann. Wenn somit an dem Arm keine Ladungen vorhanden sind, ist der Optikverschluss geschlossen. Bezugnehmend erneut auf Fig. 15, wird eine Impulsladung angelegt, die alle Arme in der ersten Zeile negativ lädt, und durch das Paar von Führungen für die erste Spalte wird eine positive Ladung an die Stifte 347 angelegt und eine negative Ladung wird an die Stifte 348 angelegt. Der negativ geladene Arm in der ersten Zeile und der ersten Spalte wird von den negativ geladenen Stiften 348 abgestoßen und zu den positiv geladenen Stiften 347 angezogen, wobei somit der Optikverschluss geöffnet wird, der zuvor durch das Flag 346 bedeckt wurde. Die anderen Arme in der ersten Zeile sind unbeeinflusst, da ihre jeweiligen Stifte 347 und 348 ungeladen sind. Ähnlich sind alle Arme in der ersten Spalte ungeladen und somit bewegen sich der Arme ungeachtet der Tatsache, dass die Stifte 347 und 348 geladen sind, nicht, wobei somit die Optikverschlüsse geschlossen bleiben. Wenn die gesamte Anordnung abgetastet wird, können alle Arme 343 in einer gegebenen Zeile geladen bleiben und die Stifte in benachbarten Spalten können sequenziell geladen werden.
Die Rückkehr des Arms in seine geschlossenen Position kann entweder durch die Federkräfte in dem Arm oder aktiv durch Umkehrung der Ladungen an den Stiften 347 und 348 erreicht werden. Die Auswahl einer passiven Rückkehr oder einer aktiven Rückkehr zu der geschlossenen Position wird durch die Dynamik des Abtastprozesses bestimmt. Wenn eine extrem rasche Abtastung gewünscht wird, wird eine Umkehrung der Ladungen an den Stiften bevorzugt, wenn aber die dynamische Reaktion langsamer sein kann, kann eine mechanische Entspannung zu der Ruheposition praktiziert werden.
In Fig. 16 wird eine andere Ausführungsform einer mikrobearbeiteten Optikverschlussanordnung gezeigt. Hier kann wie in Fig. 15 die Anordnung monolithisch hergestellt werden oder kann aus zwei Teilstrukturen zusammengebaut werden. In der Basisplatine ist eine Anordnung von Perforierungen 361 mit einem Durchmesser von ungefähr 0,1 mm auf einem Gitter beabstandet, dessen Punkte eine Beabstandung von 1,0 mm haben. Die aktiven Elemente umfassen flache Arme 362, die an der Basisplatine mit einem drehbaren Stift befestigt sind, um den der Arm rotieren kann. Das distale Ende des Arms ist ausreichend breit, um die Perforierungen abzudecken und somit den optischen Pfad zu den Fasern abzublocken, die innerhalb, der Perforierungen befestigt sind. Während in Fig. 16 Arme gezeigt werden, die ihre Breite ähnlich erweitern, um die Perforierung 361 abzudecken, sollte verstanden werden, dass ein enger Arm 362 vorgesehen werden kann, der durch ein breites Flag an seinem distalen Ende terminiert ist, das ausreicht, um die Perforierung abzudecken.
Das proximale Ende des Arms wird durch eine Struktur 364 terminiert, die allgemein senkrecht zu der Achse des Arms ist. Zwei Stifte 365 ragen von der Basisplatine hervor, positioniert etwas von der Struktur 364 entfernt. Wenn der Arm z. B. negativ geladen ist und die Stifte 365 positiv geladen sind, bewirkt die elektrostatische Anziehung, dass der Arm rotiert und die Perforierung freilegt, wobei somit der Optikverschluss geöffnet wird, wie in Position 366 gezeigt. Wie oben kann die Anordnung hier durch negative Aufrechterhaltung einer gegebenen Zeile (Ladung des Arms 362 in dieser Zeile) und Abtastung der Spalte betrieben werden, was alle Paare von Stiften 365 positiv lädt, um eine sequenzielle Öffnung und Schließung der Optikverschlussanordnung zu erhalten. Wie oben kann auf die elastischen Eigenschäften von Silizium vertraut werden, um den Arm in seine Ruheposition zurückzuführen (durch die Federhandlung der Drehbasis 363), oder die Ladung an den Paare von Stiften kann umgekehrt werden, bevor zu der nächsten Spalte geschaltet wird.
In Verbindung mit den Anordnungsvolumenmikrosonden der vorliegenden Erfindung kann eine Vielfalt von Lichtquellen verwendet werden. Wenn z. B. die gewünschten Reaktionen Fluoreszenz-Reaktionen sind, würde man häufig eine Laserquelle verwenden, wie etwa einen Stickstofflaser mit einer Wellenlänge in dem ultravioletten Teil des Spektrums, wie etwa 337 Nanometer. Wenn eine Rückstreuung ebenso wie eine Absorption in einem breiteren Teil des Spektrums die gewünschte Reaktion ist, ist die Lichtquelle gewöhnlich eine Quelle mit einem breiten Spektrum, wie etwa, aber nicht darauf begrenzt, eine Xenonentladungslampe, eine Halogenweißglühlampe oder eine beliebige andere geeignete Lichtquelle mit breiten Spektrum. Des weiteren kann eine derartige Lichtquelle mit einem geeigneten Filter konditioniert werden, um die Lichtspektralverteilung zu homogenisieren oder anderweitig zu ändern. Es wird auch die Verwendung von mehr als einer einzelnen Lichtquelle in einem gegebenen System betrachtet. Somit kann eine Volumenmikrosondenanordnung eine UV-Laserquelle umfassen, um Fluoreszenzmessungen durchzuführen, ebenso wie eine Breitband- Lichtquelle, um Streuungs- und Absorptionsmessungen durchzuführen. Es kann ebenso eine dritte Lichtquelle, die besonders reich an Naheinfrarotstrahlung ist, enthalten sein. In einer Operation können diese Lichtquellen in Richtung des Erregungsoptikaufbaus in einer vorbestimmten Sequenz gerichtet werden. Z. B. würde eine typische UV-Laserquelle in einem Pulsmodus mit einem relativ kurzen Dauerimpuls (z. B. unter einer Mikrosekunde) und einer langsamen Wiederholungsrate arbeiten. Somit ist ein Zeitablauf zwischen Erregung von Millisekunden oder Bruchteilen davon (wird häufig vorgenommen, um eine Überhitzung der Laserquelle zu vermeiden) zwischen Messungen von Fluoroszenzreaktionen verfügbar. Während dieses Zeitablaufs kann eine Breitband-Lichtquelle auf die Erregungsoptik gerichtet werden, und es können Messungen der Reaktion der Zielprobe auf diese zweite Lichtquelle erfasst werden.
Um des weiteren zusätzliche diagnostische und analytische Information von den untersuchten Volumenelementen zu erhalten, kann man Raman-Streuungsdaten erhalten, die eine molekulare strukturelle Information über das untersuchte Material vorsehen. Die Lichtquelle oder der Erregungsstrahl kann dann ein Laser innerhalb des sichtbaren Bereichs des Spektrums sein. Wenn gewünscht wird, das Fluoroszenzsignal zu reduzieren, das mit einem intensiven Strahl in dem sichtbaren Teil des Spektrums generiert wird (welches die viel schwächeren Raman- Streuungsreaktionen maskiert), kann man einen Laser in dem fernen roten oder nahe infraroten Teil des Spektrums verwenden. Derartige Lichtquellen können ein HeNe-Laser bei 633 nm, oder eine GaAlAs-Diode oder Laserdiode bei 783 nm oder selbst ein Nd:YAG-Laser bei 1064 nm sein, ebenso wie andere Naheinfrarotdioden oder Laserdioden. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können ebenso Mehrfachdetektoren verwendet werden, wenn Mehrfachlichtquellen verwendet werden. Jeder ist gestaltet, für die erwarteten Spektralreaktion und Reaktionsintensität optimiert zu sein. In derartigen Fällen wird die Zeiteinstellung der Erregung von der Vielzahl von Quellen und der Reaktionen von ihren zugehörigen Detektoren durch die Steuervorrichtung 18 gesteuert.
In Fig. 11 wird eine typische Volumenmikrosondenanordnung 170 mit ihren zugehörigen Elektronikmodulen und Berechnungsmodulen gezeigt. Das optische System ist dem in Fig. 9 und 10 gezeigten und oben beschriebenen ähnlich, mit Ausnahme dessen, dass die Strahlsplitteinrichtung an dem distalen Ende des optischen Faseraufbaus positioniert ist, und an Stelle einer Verwendung der Lichtverschlussanordnung für sowohl die Erregungs- als auch die Erfassungsoptik wird eine Anordnung von Detektoren für die räumliche Unterscheidung der Reaktionen anstatt einer Anordnung von Lichtverschlüssen verwendet. Speziell umfasst die Volumenmikrosonde 170 eine Datenbearbeitungs- und Systemsteuereinheit 171 und ein Optiksystem 172. Das Optiksystem umfasst mindestens eine Lichtquelle 173. Linsen 174 und 175 sind derart zwischen die Lichtquelle und eine Lichtverschlussanordnung 176 geschaltet, um die Lichtquelle auf die Anordnung abzubilden. Zwischengeschaltet zwischen Linsen 174 und 175, kann eine Vorrichtung 176 enthalten sein, um die Spektralverteilung der Lichtquelle zu konditionieren. Eine derartige Vorrichtung kann ein Filter sein, der gestaltet ist, die normale Spektralverteilung der Lichtquelle zu modifizieren, die Teile des Spektrums bei Intensitäten umfassen kann, die größer als andere Teile sind, und somit die Spektralverteilung des Erregungsstrahls normalisieren. Das Element 176 kann eine Vielzahl von Filtern sein, die auf einem rotierenden Filterrad derart befestigt sind, um Filter eines verschiedenen Typs (oder keinen Filter) in dem Erregungsstrahlenpfad zwischenzuschalten.
Zwischen den beiden Linsen 174 und 175 zwischengeschaltet, kann auch eine zweite Vorrichtung 177 enthalten sein, um den Erregungsstrahl zeitlich und in einer Intensität zu modulieren. Ein derartiges Schema kann verwendet werden, um das Signal-Rausch-Verhältnis des Erfassungssystems durch Synchronisierung der Modulation und Erfassung durch einen geeigneten phasenverriegelten Verstärker (nicht gezeigt) zu verbessern, der Teil des Elektroniksystems 171 ist (angezeigt als Steuerpfeile 191 und 193). Ähnlich ist auch die Zeiteinstellung der Lichtquelle 173, einschließlich der Ablaufsteuerung einer Vielzahl einer Lichtquelle oder der Pulsrate und Pulsbreite einer UV-Laserquelle, unter der Steuerung der Steuervorrichtung 201, wie durch den Steuerpfeil 192 angezeigt. Die Lichtverschlussanordnung 176 ist mit einem Optikfaserbündel 178 auf eine derartige Art und Weise gekoppelt, dass jede Faser innerhalb des Bündels mit einem gegebenen Lichtverschluss in der Anordnung gekoppelt ist. Die distalen Enden der Fasern innerhalb des Bündels 178 sind in der gleichen Anordnungskonfiguration wie die proximalen Enden angeordnet, um die gleiche Anordnungsgeometrie aufrechtzuerhalten. Die Apertur der einzelnen Optikfaser bestimmt den Feldstopp der Erregungsoptik in dieser Ausführungsform. Die Lichtverschlüsse innerhalb der Anordnung 176 sind unter der Steuerung der Steuervorrichtung 201 über eine Steuerleitung 200, und in einer Operation öffnet die Steuervorrichtung sequenziell Lichtverschlüsse derart, um einen Erregungsstrahl allen Fasern in der Anordnung sequenziell bereitzustellen.
Licht, das von den distalen Enden der Fasern in dem Bündel entspringt, wird auf einer Probe 185 mit einer Objektivoptik 179 abgebildet. In der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform ist ein Strahlenansteuerspiegel 184 vorgesehen, dessen Funktion es ist, innerhalb der Probe den gewünschten Bereich auszuwählen, von dem eine Anordnung von Volumenelementen zu analysieren ist. Die Neigung des Richtungspiegels 184 wird durch einen Joystick 187 gesteuert, der manuell oder unter der Steuerung der Steuervorrichtung 201 über eine Steuerleitung 196 betrieben werden kann.
Reaktionen von der Zielanordnung von Volumenelementen innerhalb der Probe 185 werden durch den Richtungspiegel 184 zu der Objektivoptik 179 umgelenkt, und es wird eine Strahlsplitteinrichtung 180 genutzt, um den Erregungsstrahl von den Reaktionen zu trennen. Da die Beleuchtung von Volumenelementen innerhalb der Zielanordnung zu einem beliebigen Zeitpunkt sequenziell ist, werden durch den Detektoraufbau nur Reaktionen von einem gegebenen Volumenelement empfangen. Der Detektoraufbau enthält eine Anordnung von Detektoren 183, und die jeweiligen Aperturen von jedem Detektorelement innerhalb der Anordnung dienen auch als die Feldstopps der Erfassungsoptik. Da sowohl die Erregungsoptik als auch die Feldstopps der Erfassungsoptik innerhalb des Zielvolumenelements in der Probe gepaart sind, stellen wir sicher, dass eine Erfassung von Reaktionen, die im wesentlichen nur von jedem Volumenelement entspringen, für jedes Volumenelement in der Probe aufgezeichnet werden.
Der Detektoraufbau enthält auch zusätzliche traditionelle Optikelemente, wie etwa einen Spektralfilter 181, dessen Funktion es ist, aus den Reaktionen unerwünschte Teile des Spektrums zu eliminieren. Wenn z. B. der Erregungsstrahl ein Stickstofflaser ist und die gewünschte Reaktionen Fluoroszenz-Emissionen sind, blockiert der Filter jegliche Reflexionen des Erregungsstrahls und verhindert ihre Registrierung als Reaktionen. Es ist auch ein Spektralanalysator 182 enthalten, um die Spektralverteilung der Reaktionen zu bestimmen. Die Detektoranordnung ist derart unter der Steuerung der Steuervorrichtung 201 über eine Steuerleitung 194, um die Synchronisation von Erregungs- und Reaktionserfassung von jedem Volumenelement in der Zielprobe sicherzustellen.
Der Detektoraufbau, oder in einigen Ausführungsformen ein spezifisches Element des Aufbaus, wie etwa eine Objektivlinse, kann veranlasst werden, sich in einer Richtung parallel zu der optischen Achse des Aufbaus mit einem Ansteuermechanismus 186 unter der Steuerung von Steuervorrichtung 201 (durch Steuerleitung 197) derart zu bewegen, um die z-Position oder Tiefe der Volumenelemente, die durch das Anordnungsmikrosondensystem untersucht werden, auf eine ähnliche zu der oben beschriebenen Art und Weise zu justieren.
Signale von dem Detektor, die optische Reaktionen darstellen, werden zu einer Signalbearbeitungseinheit 202 gerichtet, die dann die Daten zu einem Analog-Digital-Konverter 203 für eine weitere Datenkonditionierung in einem Datenvorbereitungsmodul 204 überträgt. Die Daten, die Reaktionen darstellen (und gekennzeichnet sind um sicherzustellen, dass der Prozessor Daten von verschiedenen Volumenelementen erkennt, was mit einer Steuerleitung 199 von der Steuervorrichtung 201 erreicht wird) werden dann in einer Kalibrator-/Skalierungsvorrichtung 205 behandelt, um die Daten zu normalisieren. Dies wird durch Überwachung der Ausgabe der Lichtquelle und erneuter Normalisierung von Daten für Variationen in der Ausgabe der Quelle über Leitung 220 erreicht.
Die Steuerungs- und Datenbearbeitungseinheit 171 enthält eine Speichereinheit 210, in der Kalibrierungs- und Skalierungskonstanten 208 ebenso wie Korrelationstransformationsmatrizen 209 gespeichert werden, wie weiter nachstehend beschrieben wird. Daten von dem System werden in Diagnoseinformation durch einen Computer 211 konvertiert und entweder als Diagnosewerte oder als künstliche Abbildungen auf einer Anzeigestation 212 angezeigt. Der Computer hat Speicher (residenten oder entfernbaren), in dem Daten gespeichert und für eine zukünftige Analyse off-line abgerufen werden können.
Im allgemeinen ist die Erfindung gedacht, mindestens teilweise zu arbeiten, um die Reaktionen, die sie sammelt, aufzuzeichnen und allgemein auch zu kompilieren und zu analysieren. In einigen preisgünstigen Ausführungsformen der momentanen Erfindung wird nur eine Diagnosevorhersage von Pathologien vorgesehen. In diesem Fall ist das System mit einer Bibliothek von Korrelationstransformationsvektoren oder Matrizen für spezifische Diagnosen ausgerüstet, und das System registriert nur die Signale Iij (Reaktionsintensitäten bei einer speziellen Wellenlänge i für ein spezielles Volumenelement j) und kalkuliert Funktionen F(Iij), die erforderlich sind, um ein Diagnoseergebnis Cj für eine Anordnung von Volumenelement vorzusehen, wie weiter nachstehend beschrieben wird.
Die Ausgabe vom Detektor 183 wird Datenprozessor 206 nach einer Vorbearbeitung im Signalprozessor 202, Analog-Digital- Konverter 203 und Datenvorbereitungsmodul 204 zugeführt. Datenprozessor 206 kann dann die Ausgabe vom Detektor 183 bearbeiten oder er kann die Daten in einer Speichereinheit 210 zum Bearbeiten zu einem späteren Zeitpunkt speichern. Der Computer 211 kann auch die Fähigkeit vorsehen, eine erste Datenmenge, die von Detektor 183 erhalten wird, mit einer zweiten Datenmenge, die von Speichereinheit 210 erhalten wird, zu vergleichen, oder vergleichende Untersuchungen von verschiedenen Volumenelementen innerhalb einer Anordnung von Volumenelementen, die zu einem beliebigen Zeitpunkt gemessen werden, durchzuführen, wobei somit eine räumliche Korrelation von Volumenelementen innerhalb einer gegebenen Probe vorgesehen wird. Z. B. kann Datenprozessor 206 Korrelationen zwischen einer ersten Datenmenge, die das Material darstellt, das untersucht wird, und einer zweiten Datenmenge in Speichereinheit 210 kalkulieren. In Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung kann die zweiten Datenmenge eine Bibliothek von Daten optischer Reaktionen oder ein mathematisches Modell, das aus einer derartigen Bibliothek abstrahiert wird, sein, wie nachstehend in der Sektion mit dem Titel "Methodik und Operation" beschrieben wird.
Speichereinheit 210 kann verwendet werden, um eine große Mengen an Daten über bestimmte Materialien zu speichern. Z. B. kann Speichereinheit 210 Daten speichern, die die Charakteristika von Licht betreffen, das mit einem bestimmten Typ von biologischem Gewebe interagiert hat, oder Speichereinheit 210 kann Daten speichern, die Charakteristika von Licht betreffen, das durch bestimmte Typen von biologischen Geweben als Reaktion auf Erregung durch jede von einer Menge von Wellenlängen von Licht, insbesondere Fluoroszenz, emittiert wird, oder kann derartige Spektra, indiziert nach Gewebetiefe, oder andere komplexe mehrdimensionale Spektra, die aus einer früheren Menge von Beobachtungen abgeleitet werden, speichern.
Speichereinheit 210 kann ferner Information speichern, die bestimmte Charakteristika von Licht, das von einer biologischen Gewebeprobe gehalten wird, mit einer bestimmten Diagnose assoziiert. Z. B. kann das Verhältnis von Licht, das bei einer Wellenlänge reflektiert wird, mit Licht, das bei einer zweiten Referenzwellenlänge reflektiert wird, mit Wachstum von krebsartigem Gewebe assoziiert werden, wie in bestimmten · bekannten Beobachtungen, oder kann mit einer klinisch relevanten Bedingung, wie etwa einer Verdickung einer Schicht von Gewebe, einer präkanzerösen metabolischen Änderung oder einem bösartigen Tumor assoziiert werden, basierend auf Korrelation mit der Spektralbibliothek und vorherigen klinischen Charakterisierungen. Somit kann eine Korrelation mit vermerkten oder gespeicherten digitalisierten Spektra eine Diagnosebeurteilung vorsehen, selbst ohne die Identifikation von beliebigen speziellen individuellen spektralen Merkmalen, wie etwa Spitzen oder Schwärzungsbändern, die zur Diagnose in der Vergangenheit erforderlich waren.
Während in den hierin gezeigten Ausführungsformen, z. B. in Fig. 11, der Detektor 183 gezeigt wird, Reaktionen von der Einzelprobe anzunehmen, nachdem sie durch einen Spektralanalysator 182 behandelt wurden, sollte klar sein, dass der Spektralanalysator mit entweder einem zeitlichen Interferometer (wie etwa einem Michelson-Interferometer) oder einem räumlichen Interferometer (wie etwa einem Sagnac-Interferometer) ersetzt werden kann. Das resultierende Interferogramm kann dann die Fourier-Transformation der optischen Reaktionen vorsehen, die von jedem Volumenelement erhalten werden, das für eine nachfolgende Datenanalyse untersucht wird, wie anderswo in diese Anmeldung beschrieben.
Wenn eine Raman-Spektroskopie durchgeführt wird, insbesondere wenn für einen Erregungsstrahl eine Quelle im nahe Infraroten gewählt wird, wo die Intensität der Raman-Streuung stark reduziert ist, kann man ähnlich in dem Reaktionspfad anstelle eines Interferometers eine Hadamard-Kodierungsmaske einbringen, die aus einer Mehrfachsschlitzanordnung besteht, um über Hadamard-Transformation die Daten der Raman-Spektralreaktion der untersuchten Volumenelemente zu erhalten.

Methodik und Operation der Volumenmikrosondenanordnung

Im Stand der Technik wurde spektrale und chemische Analyse von komplexen und heterogenen Matrizen mit guter Lokalisierung einer derartigen Analyse durch die Unfähigkeit behindert, die Reaktion zu begrenzen, die von derartigen Matrizen aus Regionen mit einem hohen Grad an Homogenität erhalten wird. Somit wurde eine große Gruppe von Mikrosonden entwickelt, um dieses Problem zu behandeln, und in der Tat existieren Elektronenmikroskope und Ionenmikrosonden und verschiedene andere Vorrichtungen, die dazu fähig sind, analytische Information vorzusehen, sowohl morphologische als auch zu einem gewissen Ausmaß chemische (meist elementar) in einem Punkt durch einen Punkt oder selbst durch Sektionen (wie etwa in der Ionenmikrosonde) einer Einzelprobe. Unglücklicherweise erfordern alle diese Verfahren die Platzierung der Probe im Vakuum und die letztliche Zerstörung der Einzelprobe, und des weiteren sind diese Verfahren der Analyse von organischen Materialien nicht zuträglich. Mikrosondenanalyse in vivo von biologischem Gewebe hat Anforderungen, die sich etwas von jenen von klassischen Mikrosonden unterscheiden. Insbesondere ist es nicht erwünscht, eine Auflösung zu haben, die größer als die typischen Abmessungen von differenzierten Geweben sind, aber es ist erforderlich, analytische Werkzeuge zu haben, die durch Personal ohne spezielles Training in der analytischen Technik betrieben werden können, wie etwa Mediziner, Prozesssteuerungspersonal und andere Fachleute. Die Verwendung der vorliegenden Erfindung erlaubt Mikrountersuchung von Proben und biologischen Geweben in vivo und ermöglicht die räumliche Darstellung von zusammengesetzten, morphologischen und pathologischen Merkmalen derartiger Einzelproben. Es gibt zahlreiche Ansätze, durch die die Daten von einer derartigen Anordnungsvolumenmikrosonde verwendet werden können, und ohne den Bereich der momentanen Erfindung zu begrenzen, beschreiben wir hierin einige dieser Ansätze.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden Reaktionen von einer Anordnung von Volumenelementen, die die Interaktionen des Materials innerhalb von jedem der Volumenelemente mit der Erregungsstrahlung darstellen, oder mindestens spezielle Signaturen von derartigen Interaktionen enthalten, bezüglich empfangenen Lichtintensitäten für verschiedene Wellenlängen vorgestellt, oder wie es in der Technik bekannt ist, als ein Spektrum der Reaktion. Ein Forscher, der in der speziellen analytischen Technik trainiert ist, kann dann diese Spektra verwenden, um wichtige Information über jedes der Volumenelemente in der Anordnung aus seinem Wissen über die Erregungsstrahlung und die Modi von Interaktionen der Strahlung mit seinem Zielmaterial ableiten. Es kann eine Vielfalt von analytischen Werkzeugen, wie etwa Softwareprogramme, die gestaltet sind, spektrale Spitzenanpassung oder spektrale Entfaltung durchzuführen, verwendet werden, um das Basisverständnis des Forschers über derartige Interaktionen weiter zu erhöhen und den Forscher mit Information über die chemische, morphologische und physiologische Natur der Zielvolumenelemente in der Anordnung zu versehen, da die Reaktionen jede einem spezifischen Volumenelement in der untersuchten Anordnung entsprechen. Dies geschieht in Übereinstimmung mit Basisprinzipien, die in der Technik bekannt sind, mit Ausnahme dessen, dass die Daten, die dem Forscher bereitgestellt werden, aus einem gut definierten Volumenelement abgeleitet werden und somit Interferenzen und Reaktionsschwächung wegen parasitären Reaktionen und Interferenzen, die außerhalb von den Zielvolumenelementen ihren Ursprung haben, die Fähigkeit des Forschers nicht länger behindern, spezifische Merkmale innerhalb einer großen heterogenen Probe zu unterscheiden. Somit kann eine Anordnungsvolumenmikrosonde der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um klassische spektroskopische Analyse, Fluoroszenzanalyse, Raman-Streuung und andere parametrische oder charakterisierende Analyse durchzuführen, die die Messung der Reaktionen von jedem Volumenelement in der Anordnung auf eine lokalisierte Strahlung einbezieht, während die beobachteten Reaktionen auf im wesentlichen jedes der Volumenelemente in der Anordnung nur bei einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt begrenzt sind.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich an Benutzer wendet, die nicht über die technischen Fähigkeiten verfügen, bedeutungsvolle Schlussfolgerungen aus beobachtete unbearbeiteten Reaktionen abzuleiten, ist das System mit einer Bibliothek von Korrelationstransformationen ausgerüstet, die den speziellen Erfordernissen des Benutzers gewidmet sind, sodass das System im wesentlichen für spezielle analytische Aufgaben vor-kalibriert ist. Das Verfahren zur Kalibrierung der Anordnungsvolumenmikrosonde wird hierin detaillierter beschrieben.
Zur Einfachheit der folgenden Beschreibung nehmen wir an, dass es das Ziel des Verfahrens ist, eine Anordnungsvolumenmikrosonde für die Diagnose des Vorhandenseins oder Fehlens davon von Geweben zu kalibrieren, die durch einen bestimmten Krebs betroffen sind und die einer optischen Visualisierung zugänglich sind, entweder auf der äußeren Haut oder im Hals oder in anderen Hohlräumen, die über Endoskope oder Laparoskope zugreifbar sind, wie etwa die verschiedenen Segmente des Marken-Darm-Traktes (beginnend beim Mund, durch die Speiseröhre und den Magen, und durch rektale Untersuchung des Dickdarms), oder verschiedene Organe in den Bauchfellhöhlungen, die über untersuchende Laparoskopie zugänglich sind. In vielen dieser Situationen untersucht ein Mediziner, der nicht ein trainierter Spektroskopist ist, die verdächtigen Gewebe, und wenn eine Verfärbung oder andere morphologische Anomalien vorhanden sind, werden Proben von derartigen Bereichen herausgeschnitten und zu einem pathologischen Labor zur mikroskopischen Untersuchung der Gewebe geschickt, um das Vorhandensein oder Fehlen, ebenso wie die Stufe, eines möglichen Krebses zu bestimmen. Es wäre extrem nützlich, wenn während der visuellen Untersuchung ein Diagnoseergebnis verfügbar wäre, um die Natur der verdächtigen Pathologie des verdächtigten Zielgewebes zu bestimmen, sodass eine unmittelbare Aktion unternommen werden könnte, wenn notwendig, und um unnötiges Herausschneiden von Gewebe für Biopsien zu vermeiden. Wenn wie nachstehend beschrieben kalibriert, wird die Anordnungsvolumenmikrosonde der momentanen Erfindung die automatisierten Diagnosen von derartigen durch ein Mediziner untersuchten Geweben ermöglichen, eine künstliche Abbildung der Pathologie und ihres Ausmaßes vorsehen, ohne der Notwendigkeit, derartige Gewebe unter dem Mikroskop durch einen anderen fachmännischen Pathologen untersuchen zu müssen.
Fig. 12 ist ein Diagramm 300, das die verschiedenen Schritte zeigt, die in der Kalibrierung und dann der Verwendung der Anordnungsvolumenmikrosonde unternommen werden. Um eine Anordnungsvolumenmikrosonde 301 für eine spezielle Pathologie zu kalibrieren, wird zuerst eine Trainingsmenge 302 von Einzelproben für die spezielle Pathologie ausgewählt. Der Begriff Trainingsmenge wird hierin verwendet, um eine Gruppe von Gewebeeinzelproben zu bezeichnen, in denen eine sehr genaue zythologische und pathologische Bestimmung des Zustands von jeder Einzelprobe in einem pathologischen Labor durchgeführt wurde, bezeichnet durch den Schritt 303. Des weiteren wurde vor einem Herausschneiden für derartige Biopsien jede Einzelprobe in der Trainingsmenge in vivo einer anspruchsvollen Untersuchung mit der Mikrosondenanordnung 301 der vorliegenden Erfindung unterzogen. Für den Zweck dieser Beschreibung wird angenommen, dass die Zielvolumenelemente in der Trainingsmenge (jene Gewebe, die später einer pathologischen Laborbestimmung ihrer jeweiligen pathologischen Zustände unterzogen werden) mit sowohl einer Laser-UV-Quelle als auch einer Breitband-Weißlichtquelle erregt werden. Um eine gute räumliche Korrelation zwischen den herausgeschnittenen Geweben und den untersuchten Volumenelementen während einer Kalibrierung sicherzustellen, wird die Anordnung mit nur einem einzelnen geöffneten Verschluss verwendet, oder es kann ein spezieller Einzelkanal einer Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde verwendet werden. Es wird angenommen, dass die Intensitäten der Reaktionen auf die UV- und Weißlichterregungen des Zielvolumenelements innerhalb der Einzelprobe j Juj bzw. Iij sind, wobei u und i mittlere Wellenlängen innerhalb von Spektralbändern der spektralen Reaktionen auf die UV- bzw. die Weißlichterregungen sind. Diese Daten werden in einem Speicher (z. B. Speichereinheit 210 in Fig. 11) für eine zukünftige Analyse und Bestimmung der Masterkalibrierung bei Schritt 304 gespeichert. Die Volumenelemente in der Trainingsmenge werden nach Aufzeichnung der Reaktionen, die mit der Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde erhalten werden, herausgeschnitten, und pathologische Bestimmungen des Zustands von jeder Einzelprobe werden in der Form von Ergebnissen Cj aufgezeichnet, wobei j die Identität der Einzelprobe ist und Cj eine Zahl ist, die gemäß dem Einzelprobenzustand auf einer monotonen Ergebnisskala, z. B. 0 bis 10, gewählt, wird, wobei Null normale Gewebe und 10 vollständig verwurzelte und tiefe krebsartige Gewebe bezeichnet. Da diese Trainingsmenge Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonden für spätere Bestimmungen des Vorhandenseins oder Fehlens von derartigen Pathologien kalibrieren wird, ist es wichtig, dass beim Ankommen bei einer objektiven Bestimmung des pathologischen Zustands der Trainingsmenge große Sorgfalt waltet. In derartigen Fällen werden die gleichen Proben mikroskopisch durch eine Anzahl von unabhängigen Pathologen in einem Blindexperiment untersucht, und nur jene Einzelproben, für die eine minimale Übereinstimmung zwischen den verschiedenen pathologischen Ergebnissen existiert, werden in die Trainingsmenge eingeschlossen.
Sobald die Ergebnisse Cj der Einzelprobe in der Trainingsmenge sorgfältig bestimmt wurden und die medizinischen Aufzeichnungen der Patienten, die mit Proben (Volumenelement) in der Trainingsmenge assoziiert sind, aufgezeichnet sind (es kann mehr als ein Volumenelement pro Patient in der Trainingsmenge enthalten sein, es ist jedoch am besten, eine Vielfalt von Patienten in eine Trainingsmenge für eine gegebene Pathologie einzubeziehen), werden die Werte von Iij und Juj, die zuvor in der Speichereinheit 210 gespeichert sind, verwendet, um eine Menge von n Korrelationsgleichungen aufzustellen (n wäre die Zahl von Volumenelementen in der Trainingsmenge):
Σai F(Iij) + Σbu F(Juj) + Σcs G(Msj) = Cj (1)
Die Bandbreiten um die Wellenlängen i und u der Reaktionen auf weißes Licht bzw. UV-Licht herum sind gewöhnlich zwischen 5 und 50 nm, abhängig von der Spektralauflösung, die in dem Erfassungsmonochromator oder Spektrographen des Systems erreichbar oder wünschenswert ist (Element 182 in Fig. 11).
Die Auswahl der Funktionen F hängt zu einem gewissen Ausmaß von der Natur von empfangenen Reaktionen ab. Wenn nahezu alle nichtssagenden Spektralreaktionen (nämlich eine Spektralreaktion, die relativ glatt ist und sich mit der Wellenlänge langsam ändert) empfangen werden, dann wählt man oft die Intensitäten, oder normalisierte Intensitäten, der Reaktionen, nämlich F(Iij) = Iij bzw. F(Iij) = Iij/K, wobei K entweder die maximale Reaktion in dem empfangenen Spektrum oder die Reaktion bei einer vorbestimmten Wellenlänge ist (in biologischen Geweben häufig eine Reaktion, die mit dem Vorhandensein von Wasser oder Hämoglobin assoziiert ist). Wenn das erwartete Spektrum eine Zahl von schärferen Merkmalen enthält, kann man oft F(Iij) = (dIij/dλ)Iij verwenden, wobei λ die Wellenlänge ist. Natürlich ist es am besten, die gleiche Funktion F für die Reaktionen auf sowohl UV-Erregung Juj als auch Weißlichterregung Ijj zu verwenden.
Die Funktionen G(Msj) sind einbezogen, um den Einfluss auf die beobachteten Reaktionen der speziellen "medizinischen Vergangenheit" des Patienten zu ermöglichen, und umfassen gewöhnlich Parameter wie etwa Geschlecht, Alter, Rasse und Vorhandensein oder Fehlen von systematischen Pathologien wie etwa Bluthochdruck, Diabetes etc. In vielen Situationen sind ein Teil oder alle Koeffizienten cs null, und diese Faktoren haben keinen Einfluss auf die Kalibrierung, aber in speziellen Fällen spielen diese Faktoren eine Rolle und sind hier zur Vollständigkeit einbezogen.
Bei Schritt 304 wird nun ein Computer verwendet, um eine Regressionsanalyse durchzuführen, um die Zahl von Wellenlängen i und u zu minimieren (und s, die "künstliche Wellenlängen" sind, die eine medizinischen Vergangenheit darstellen), die verwendet werden, um eine gültige Korrelation zu erhalten und um die Menge von minimierten Gleichungen (1) für die Korrelationskonstanten ai, bu (und cs) zu lösen. Diese Regressionsanalyse wird unter Verwendung der n Gleichungen, die experimentell erhalten werden, durchgeführt, wobei im wesentlichen die Korrelationskonstanten als Unbekannte verwendet werden, für die eine Lösung mit der besten Korrelation gesucht wird. Die Minimierung wird ausgeführt, um jene Wellenlängen zu extrahieren, bei denen die Reaktionen unabhängige relevante Information enthalten, die die Reaktionen Iij und Juj mit den Ergebnissen Cj korreliert. Es sollte erkannt werden, dass während des Kalibrierungsprozesses eine größere Menge von Daten gesammelt wird als absolut notwendig ist, und viele dieser Daten verknüpft sind. Um eine ausreichend gute Korrelation zu erhalten, sind nur Reaktionen, die unabhängig voneinander sind, notwendig, und somit wird der Prozess einer Minimierung von Spektralreaktionen in Gleichungen (1) ausgeführt. Diese Minimierung wird während einer tatsächlichen diagnostischen Verwendung der Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde die Aufnahme einer minimale Menge von Reaktionen erlauben und somit die Prozedur beschleunigen.
Die Verfahren, die zum Erhalten der minimale Menge von Wellenlängen und der assoziierten Korrelationskoeffizienten ai und bu verwendet werden, sind im Stand der Technik gut bekannt und umfassen multivariante lineare Regressionsanalyse und univariante lineare Regressionsanalyse. Es sind auch andere statistische Werkzeuge, wie etwa neuronale Netzanalyse, verfügbar und können für diesen Zweck verwendet werden.
Im allgemeinen können wir die Werte Iij und Juj die Reaktionen des Volumenelements auf Weißlicht- bzw. UV-Erregung bezeichnen. Wie wir erwähnt haben, können andere Reaktionen verwendet werden, um ein Volumenelement in einer Probe zu charakterisieren. Wir bezeichnen deshalb alle Reaktionen, die Reaktionen von Volumenelementen sind, die mit bestimmten Pathologien korrelieren, als Reaktionen Rij. Wie zuvor erwähnt, haben wir herausgefunden, dass es manchmal vorteilhaft ist, als Teil der Reaktionen Rij andere Information über das Volumenelement (oder den Träger des Volumenelements) einzubeziehen, die nicht mit der Hilfe der Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde bestimmt wurde, aber dennoch zu einer Verbesserung in der Korrelation zwischen den beobachteten Reaktionen und den diagnostizierten Pathologien beiträgt. Derartige Information kann allgemeine Klassifizierung des Subjekts umfassen, in dem sich das Volumenelement befindet, wie etwa, aber nicht begrenzt auf, Geschlecht, Alter, Rasse, andere systematische Pathologien und Gewicht. Derartige Information kann, wenn ihre Einbeziehung in die Regression das Vertrauensniveau der Regression verbessert, als zusätzliche künstliche Reaktionen Rij (an Stelle der Funktionen G(Msj)) einbezogen werden. Der Index i stellt deshalb den Typ der erhaltenen Reaktion dar, ob er mit der Nicht-Abbildungsmikrosonde (ein oder mehr Typen von Reaktionen ebenso wie das Spektralband, von dem die Reaktion registriert wird) oder durch andere Mittel erhalten wird.
Die Menge von Gleichungen (1), aus der die Korrelationskoeffizienten abgeleitet werden, kann somit vereinfacht werden
Σai F(Rij) = Cj (2)
zu sein. Zur Einfachheit können die geordneten Werte ai der Korrelationsvektor (a) für Pathologie C genannt werden, und die geordneten Reaktionen Rij können der Reaktionsvektor (Rj) für Volumenelement j in der Trainingsmenge genannt werden. Der Funktionsreaktionsvektor (F(Rj)) ist ähnlich wie die geordneten Funktionen der. Elemente der Reaktionen in den Reaktionsvektoren (Rj) definiert. Ähnlich können die geordneten Ergebnisse Cj der Pathologieergebnisvektor (C) für die Trainingsmenge genannt werden. Der Prozess zur Kalibrierung der Anordnungsmikrosonde für eine gegebene Pathologie C besteht deshalb aus Erhalten aller Reaktionsvektoren (Rj) und ihres entsprechenden Pathologieergebnisvektors (C) und aus diesen Daten nach Generierung des Funktionsreaktionsvektors (F(Rj)), Erhalten eines minimalen Korrelationsvektors (a), der der Kalibrierungsvektor der Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde ist. Wie gesehen werden kann, ist die Kalibrierung der Kalibrierung identisch, die für die Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde der gemeinsam anhängigen Anmeldung Seriennummern 08/510,041 und 08/510,043 gestaltet ist. Die Kalibrierung für eine Anzahl von unterschiedlichen Pathologien kann in einer Kalibrierungsbibliothek 305 für eine spätere Verwendung für unbekannte Einzelproben gespeichert werden. Jede Mikrosondenanordnung umfasst eine Korrelationsmaschine (correlation engine) 307, die Kalibrierungsvektoren von der Kalibrierungsbibliothek 305 und Reaktionsvektoren, die von der Mikrosondenanordnung erhalten werden, und andere Quellen, wie etwa medizinische Aufzeichnungen 308, übernehmen und für den Reaktionsvektor einen Wert C der beobachteten Pathologie rekonstruieren kann. Da in den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung die verschiedenen optischen Kanäle, die Erregung und Reaktionen von gegebenen Volumenelementen darstellen, äquivalent sind, reicht eine einzelne Kalibrierung (für eine gegebene Pathologie) aus.
Wenn wir nun die Natur und Verteilung einer Pathologie in einer Zieleinzelprobe bestimmen wollen, die außerhalb der Trainingsmenge ist, oder einer unbekannten Einzelprobe 306, nennen wir zur Einfachheit jedes derartige Volumenelement in der Anordnung k((x, y, z)), was seine Koordinaten x, y und z beschreibt. Die Reaktionsvektoren (Rk((x, y, z))) werden durch das Instrument über das Volumenelement k((x, y, z)) registriert, und zu dem Ausmaß, dass einige der Reaktionen Rik künstliche Reaktionen sind (wie etwa Geschlecht oder Rasse, wie oben erwähnt), werden diese in den Korrelationsmaschinenteil der Mikrosondenanordnung eingegeben und das Ergebnis für die Pathologie für Volumenelement k((x, y, z)), Ck((x, y, z)), wird durch Erhalten des Produkts des Korrelationsvektors (a), der zuvor gefunden wurde, mit dem Funktionsreaktionsvektor (F(Rk((x, y, z)) )), nämlich: Ck((x, y, z)) = Σai F(Rik((x, y, z))),vorhergesagt. Somit erlaubt die Verwendung der kalibrierten Mikrosondenanordnung in einer Anordnung von Volumenelementen k((x, y, z)), deren pathologischer Zustand Ck((x, y, z)) unbekannt ist, die unmittelbare und automatische Diagnose der Pathologie in Volumenelement k((x, y, z)). Diese Prozedur wird für alle Volumenelemente in der Anordnung wiederholt, und die Menge von Werten Ck((x, y, z)) für alle Volumenelement in der Anordnung kann nun auf einer Anzeige 309 dargestellt werden, entweder als numerische Werte oder als künstliche Abbildungen der untersuchten Anordnung. Normale Verfahren zur Handhabung einer dreidimensionalen Abbildung und Manipulation können somit den Mediziner mit einem Einblick bezüglich der Natur, Ausmaß, Schwere und Durchdringungstiefe von verdächtigten Pathologien versehen. Dies reduziert die Anzahl von unnötigen Biopsien, die erforderlich sind, und versieht den Mediziner mit unmittelbarer Information, mit der er während der Untersuchung handeln kann.
Es sollte erkannt werden, dass die Funktionen F(Rik((x, y, z)) aus den Fourier-Transformationen, die aus den Reaktionen erhalten werden, abgeleitet werden können, entweder mit einem zeitlichen Interferometer, wie etwa einem Michelson-Interferometer, oder mit einem räumlichen Interferometer, wie etwa einem Sagnac-Interferometer. Es ist sogar möglich, die Interferogramme selbst an Stelle der Fourier-Transformation zu verwenden, die aus ihnen generiert wird. Wenn molekulare Strukturinformation über die untersuchten Elemente untersucht wird, verwendet man ähnlich für die Funktionen F(Rik((x, y, z)) die Werte bei verschiedenen Wellenlängen, die aus der Hadamard-Transformation der Raman-Spektralreaktion erhalten werden.
Es sollte durch einen Durchschnittsfachmann erkannt werden, dass wie in unseren gemeinsam anhängigen Anmeldungen, Mikrosondenanordnungen der Erfindung kalibriert werden können, um eine Vielzahl von Pathologie Pm zu diagnostizieren, wobei m eine spezifische Pathologie bezeichnet. Wenn auf diese Weise verwendet, besteht die Aufgabe einer Kalibrierung des Instruments für diese Vielzahl von Pathologien wie zuvor aus Erhaltung für eine Trainingsmenge j von Reaktionen Rij und pathologischen Ergebnissen Pmj, wobei i die Bandbreite der Reaktionen oder der Typ einer künstlichen Reaktion ist, j das Volumenelement oder die Einzelprobe in der Trainingsmenge ist und Pmj das Ergebnis für Pathologie m in Einzelprobe j ist. Während einer Kalibrierung erhalten wir eine Anzahl von Korrelationsvektoren (am), jeder für die spezifische Pathologie m. In einer Operation der kalibrierten Nicht-Abbildungsvolumenmikrosonde wird der oben erwähnte Korrelationsvektor (a) nun durch eine Korrelationsmatrix {a} ersetzt, deren Elemente aim sind, der Funktionsreaktionsvektor (F(Rk)) für eine nicht charakterisierte Einzelprobe k wird durch die Matrix {F(Rk)} ersetzt, deren Elemente F(Rimk) sind und die Diagnoseergebnisse ergeben sich als ein Vektor (P)k, dessen Elemente Pmk sind, durch Erhalten des Produkts der Korrelationsmatrix {a} mit der Funktionsreaktionsmatrix {F(Rk)}.
Es sollte auch erkannt werden, dass in der praktischen Ausführungsform dieses. Verfahrens einer Analyse die erstellte Korrelation die gleichen Reaktionen (wenn nicht alle von ihnen, mindestens einige von ihnen) für unterschiedliche Pathologien verwenden wird. Somit ist nur ein Reaktionsvektor (Rk) (mit Elementen Rik) erforderlich, der die minimale Menge von Reaktionen von Volumenelement k umfasst, um Diagnoseergebnisse Pmk zu erhalten. Die Matrix {a} kann auch die Korrelationstransformationsmatrix genannt werden, da sie eine Menge von messbaren (oder beobachtbaren) Werten zu einer anderen Menge von Zahlen oder Werten transformiert, die die gewünschten pathologischen Ergebnissen sind. Dies wird durch Multiplikation der Korrelationstransformationsmatrix, {a}, mit dem Vektor (F(Rk)), dem Funktionsreaktionsvektor, erreicht, um eine Transformation des Reaktionsvektors (Rk) zu einem Diagnoseergebnisvektor (P)k zu erhalten.
Von dem hierin ausgenutzten Korrelationstransformationsverfahren zur Vorhersage von diagnostischer oder analytischer Information über eine unbekannte Einzelprobe durch Korrelation optischer Reaktionen einer Trainingsmenge zu einer unabhängigen Bestimmung der diagnostischen oder analytischen Daten in der Trainingsmenge wurde durch Rosenthal gezeigt, in künstlich homogenisierten Proben gut zu arbeiten, die groß genug sind, um eine Menge von Reaktionen vorzusehen, die ein großes Signal-Rausch-Verhältnis besitzen. Es ist überraschend, dass das erweiterte Verfahren der momentanen Erfindung gute Korrelation in sehr winzigen Volumenelementen in vivo liefert. In klassischer Spektroskopie, wie z. B. durch Alfano praktiziert, werden Spektra oder optische Reaktionen von erkrankten Geweben mit ähnlichen Spektra oder Reaktionen von gesunden Geweben verglichen, um ein diagnostisches Lesen in dem Zielgewebe zu versuchen. Dieses Verfahren versagt wegen den großen Variationen, die zwischen Subjekten angetroffen werden, und der Natur des untersuchten Gewebes zu arbeiten. Wenn unser Korrelationstransformationsansatz verwendet wird, vermeiden wir absichtlich eine Verwendung eines Vergleichs von Spektralreaktionen in einem Zielgewebe mit den Reaktionen von beliebigem existierenden (gesunden oder pathologischen) Gewebe, da kein spezifisches Gewebe alle Variationen darstellen kann, die zwischen Subjekten angetroffen werden. Derartige Variationen von Subjekt zu Subjekt verursachen spektrale Verzerrungen, die die Fähigkeit des Stands der Technik unvermeidlich schwächen, eine robuste diagnostische Bestimmung von Pathologien zu erhalten. Des weiteren baut unsere Einbeziehung von nicht-optischen Reaktionen zusammen mit optischen Reaktionen als Teil des Korrelationstransformationsalgorithmus im wesentlichen ein vollständig künstliches Modell (basierend auf der Trainingsmenge) der Pathologie auf, was an sich niemals in einem beliebigen Subjekt oder Gewebe reproduziert wird. Schließlich macht es dieser neuartige Ansatz, gekoppelt mit der räumlichen Filterung der optischen Reaktionen auf ein kleines Volumenelement, wobei somit Reaktionsintegration über heterogenen Geweben vermieden wird, möglich, wertvolle künstliche Abbildungen von Pathologien zu erhalten, die bisher nicht möglich waren.
Während die Erfindung gezeigt und beschrieben wurde, einen Bezug auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen aufzuweisen, wird ein Durchschnittsfachmann verstehen, dass Variationen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Bereich der Erfindung wie beansprucht abzuweichen.

Claims

1. Vorrichtung (10, 20, 30, 50, 70, 80, 80', 90, 110, 130, 150, 170) zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe (19, 27, 37, 57, 79, 84, 84', 101, 124, 139, 159, 185) aus Material durch Interaktion von elektromagnetischer Strahlung mit der Probe, umfassend:

- eine Quelle (11, 21, 31, 51, 71, 81, 81', 91, 118, 131, 151, 173) aus elektromagnetischer Strahlung;

- einen optischen Aufbau (12-15, 22-26, 32-36, 38, 41-43, 52-56, 58, 58', 59-61, 73-78, 82, 82', 83, 83', 86, 88, 88', 89, 89', 92, 94-100, 102, 113, 114, 116, 117, 119, 120, 122, 123, 125, 133-138, 140, 141, 153-155, 157, 158, 160, 161, 174-180, 184, 310, 330, 340, 360) zum sequenziellen Beleuchten einer Vielzahl von Volumenelementen (63, 85, 85') in der Probe mit einer Intensitätsverteilung in der Probe, die von einer ersten Region in einem ersten optischen Pfad im wesentlichen monoton abfällt, und zum Sammeln elektromagnetischer Strahlung, die von jedem der Volumenelemente entspringt, wobei der optische Aufbau die elektromagnetische Strahlung, die von jedem der Volumenelemente entspringt, mit einer Sammlungsverteilung sammelt, die von einer zweiten Region in einem zweiten optischen Pfad im wesentlichen monoton abfällt, sich die ersten und zweiten Regionen mindestens teilweise in jedem der Volumenelemente überlappen, der optische Aufbau Feldstopps (24, 34, 41, 43, 52, 54, 59, 61, 74, 83, 83', 98, 113, 114, 134, 154, 176, 310, 330, 340) umfasst, deren Abmessungen groß sind im Vergleich mit einem Quotienten einer Wellenlänge der elektromagnetische Strahlung, geteilt durch eine numerische Arbeitsapertur des optischen Aufbaus, gemessen von den Feldstopps; und

- einen Detektor (17, 29, 39, 62, 72, 87, 87', 93, 121, 132, 152, 183) zum Erfassen der gesammelten elektromagnetischen Strahlung, die von jedem der sequenziell beleuchteten Volumenelemente entspringt, um Reaktionen zu erzeugen, die die Charakteristik in jedem der Volumenelemente darstellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der optische Aufbau umfasst:

- Beleuchtungsoptik (12-14, 22, 24-26, 28, 32, 34-36, 38, 41, 42, 52-56, 74, 76, 78, 82, 82', 83, 83', 89, 89', 92, 96-100, 102, 113, 116, 119, 120, 125, 133-138, 140, 153-155, 157, 158, 160, 174-179, 180, 184, 310, 330, 340, 360) zum Durchführen der sequenziellen Beleuchtung der Vielzahl der Volumenelemente (63, 85, 85') in der Probe (19, 27, 37, 57, 79, 84, 84', 101, 124, 139, 159, 185); und

- Sammeloptik (15, 16, 23-26, 33-36, 38, 43, 56, 58, 58', 59-61, 73-78, 83, 83', 86, 88, 88', 94-100, 102, 114, 117, 122, 123, 125, 133, 134, 136-138, 140, 141, 153, 154, 157, 158, 160, 161, 179, 180, 184, 310, 330, 340, 360) zum Durchführen der Sammlung der elektromagnetischen Strahlung, die von jedem der Volumenelemente entspringt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Feldstopps mindestens eine Anordnung von Feldstopps (41, 43, 52, 63) umfassen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Volumenelemente (63, 85, 85') eine dreidimensionale Anordnung umfassen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Feldstopps der Beleuchtungsoptik eine Anordnung von individuell steuerbaren Beleuchtungsoptikverschlüssen (13, 24, 34, 54, 74, 83, 83', 98, 113, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) zum sequenziellen Beleuchten der Volumenelemente (63, 85, 85') umfassen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Feldstopps der Sammeloptik eine Anordnung von individuell steuerbaren Sammeloptikverschlüssen (16, 24, 34, 59, 74, 83, 83', 98, 114, 134, 158, 310, 330, 340) zum sequenziellen Sammeln elektromagnetischer Strahlung, die von jedem der Volumenelemente (63, 85, 85') entspringt, umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Beleuchtungsoptik eine Anordnung von individuell steuerbaren Beleuchtungselementen (12, 13, 24, 34, 54, 74, 83, 83', 98, 113, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) zum sequenziellen Beleuchten der Volumenelemente (63, 85, 85') umfasst und die Sammeloptik eine Anordnung von individuell steuerbaren Sammelelementen (16, 24, 34, 59, 74, 83, 83', 98, 114, 134, 158, 310, 330, 340) zum sequenziellen Sammeln elektromagnetischer Strahlung umfasst, die von jedem der Volumenelemente entspringt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei mindestens eine Anordnung von Feldstopps eine einzelne Anordnung von individuell steuerbaren Optikverschlüssen (13, 16, 24, 34, 54, 59, 74, 83, 83', 98, 113, 114, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) umfasst zum sequenziellen Beleuchten der Volumenelemente (63, 85, 85') und zum sequenziellen Sammeln elektromagnetischer Strahlung, die von jedem der Volumenelemente entspringt, wobei die ersten und zweiten optischen Pfade die gleichen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anordnung von Optikverschlüssen (13, 16, 24, 34, 54, 59, 74, 83, 83', 98, 113, 114, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) eine Anordnung von individuell steuerbaren Flüssigkeitskristall-Verschlusselementen umfasst.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anordnung von Optikverschlüssen (13, 16, 24, 34, 54, 59, 74, 83, 83', 98, 113, 114, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) eine Anordnung von individuell steuerbaren Flüssigkeitskristall-Verschlusselementen aus dipergiertem Polymer umfasst.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anordnung von Optikverschlüssen (13, 16, 24, 34, 54, 59, 74, 83, 83', 98, 113, 114, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) eine Anordnung von individuell steuerbaren ferroelektrischen Verschlusselementen umfasst.

12. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anordnung von Optikverschlüssen (13, 16, 24, 34, 54, 59, 74, 83, 83', 98, 113, 114, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) eine Anordnung von individuell steuerbaren piezoelektrischen bimorphen Verschlusselementen umfasst.

13. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anordnung von Optikverschlüssen (13, 16, 24, 34, 54, 59, 74, 83, 83', 98, 113, 114, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) eine mikro-bearbeitete Anordnung von individuell steuerbaren elektrostatisch beweglichen Verschlusselementen umfasst.

14. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend Mittel zum Bewegen mindestens eines Abschnitts des optischen Aufbaus (12-15, 22-26, 28, 32-36, 38, 41-43, 52-56, 58, 58', 59- 61, 73-78, 82, 82', 83, 83', 86, 88, 88', 89, 89', 92, 94-100, 102, 113, 114, 116, 117, 119, 120, 122, 123, 125, 133-138, 140, 141, 153-155, 157, 158, 160, 161, 174-180, 184, 310, 330, 340, 360) in Bezug auf die Probe (19, 27, 37, 57, 79, 84, 84', 101, 124, 139, 159, 185), um die Standorte der Volumenelemente (63, 85, 85') innerhalb der Probe entlang der optischen Achse der ersten und zweiten optischen Pfade zu variieren.

15. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der optische Aufbau ferner ein optisches Objektiv (14, 26, 36, 42, 55, 77, 83, 83', 100, 125, 137, 157, 179) zwischen der Anordnung von Optikverschlüssen (13, 24, 34, 54, 59, 74, 98, 113, 134, 158, 176) und der Probe (19, 27, 37, 57, 79, 84, 84', 101, 124, 139, 159, 185) umfasst:

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, worin das optische Objektiv (26, 77, 100, 125, 137, 157, 179) eine einzelne Objektivlinse umfasst, die mit der Anordnung von Optikverschlüssen (24, 74, 98, 113, 114, 133, 154, 176) ausgerichtet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei das optische Objektiv (36, 55, 77, 88, 88', 89, 89') eine Anordnung von Mikrolinsenelementen umfasst, die jeweils mit den Optikverschlüssen (34, 54, 74, 83) ausgerichtet sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anordnung von Optikverschlüssen in nicht-interferierende Zonenanordnungen unterteilt ist und elektromagnetische Strahlung gleichzeitig von den nicht-interferierenden Zonenanordnungen gesammelt wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anordnung von Optikverschlüssen (13, 16, 24, 34, 54, 59, 74, 83, 83', 98, 113, 114, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) eine Vielzahl von Zeilen und Spalten von Verschlusselementen umfasst.

20. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Anordnung von Optikverschlüssen eine Anordnung von radial verteilten Verschlusselementen, eine lineare Anordnung von Verschlusselementen oder eine periphere Anordnung von Verschlusselementen umfasst.

21. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Anordnung von Feldstopps eine Anordnung (74) von individuell beweglichen Mikrospiegeln (78) umfasst, wobei jeder der Mikrospiegel zwischen einer aktiven Position zum Lenken einer Beleuchtung von der Quelle (71) zu der Probe (79) und zum Lenken gesammelter elektromagnetischer Strahlung von der Probe zu dem Detektor (72) und einer inaktiven Position beweglich ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Anordnung von Feldstopps eine Anordnung (83, 83') von individuell beweglichen Mikrospiegeln (88, 88', 89, 89') umfasst, wobei jeder der Mikrospiegel ein Achsenversatzsegment eines Umdrehungsparaboloid umfasst, wobei die Mikrospiegel in Paaren zwischen aktiven Positionen und inaktiven Positionen beweglich sind, ein Mikrospiegel (89, 89') eines aktiven Paars Beleuchtung von der Quelle (81) zu der Probe (85, 85') lenkt und der andere Mikrospiegel (88, 88') des aktiven Paars elektromagnetische Strahlung, die von der Probe entspringt, zu dem Detektor (87, 87') lenkt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei Mikrospiegel einer ersten Gruppe der Mikrospiegel Beleuchtung sequenziell von der Quelle zu der Probe lenken und Mikrospiegel einer zweiten Gruppe der Mikrospiegel gesammelte elektromagnetische Strahlung sequenziell von der Probe zu dem Detektor lenken.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei jeder der Mikrospiegel zwischen einer Beleuchtungsposition zum Lenken einer Beleuchtung von der Quelle zu der Probe und einer Sammelposition zum Lenken gesammelter elektromagnetischer Strahlung von der Probe zu dem Detektor beweglich ist, wobei jede der Mikrospiegel zur Beleuchtung und Sammlung zu unterschiedlichen Zeiten verwendet wird.

25. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der optische Aufbau ein Bündel von Lichtwellenleitern (98) und eine Lichtleiterschaltvorrichtung (97) zum sequenziellen Aktivieren von jedem der Lichtwellenleiter zum Lenken einer Beleuchtung von der Quelle (91) zu der Probe (101) und zum Lenken gesammelter elektromagnetischer Strahlung von der Probe zu dem Detektor (93) umfasst.

26. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der optische Aufbau umfasst ein Bündel von Lichtwellenleitern (133, 153) und eine Anordnung von Optikverschlüssen (134, 154), positioniert an einem Ende des Bündels von Lichtwellenleitern, sodass die Optikverschlüsse jeweils mit den Lichtwellenleitern ausgerichtet sind, wobei die Anordnung von Optikverschlüssen die Volumenelemente sequenziell beleuchtet und elektromagnetische Strahlung, die von jedem der Volumenelemente entspringt, sequenziell sammelt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Detektor einen einzelnen Optikdetektor zum Erfassen gesammelter elektromagnetischer Strahlung von jedem der Volumenelemente umfasst.

28. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Detektor eine Vielzahl von Detektorelementen entsprechend den Optikverschlüssen oder Gruppen der Optikverschlüsse umfasst.

29. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Quelle eine Laserquelle, namentlich einen Nitrogenlaser umfasst.

30. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Quelle eine Breitspektralband-Lichtquelle umfasst.

31. Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei die Quelle eine Xenon-Entladungslampe umfasst.

32. Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei die Quelle eine Halogenweißglühlampe umfasst.

33. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Quelle eine Ultraviolett-Wellenlängen-Quelle umfasst.

34. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der optische Aufbau ein optisches Filter (181) zum Zuschnitt des Beleuchtungsspektrums umfasst.

35. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Quelle eine Vielzahl von Lichtquellen und Mittel zum Aktivieren der Lichtquellen zu verschiedenen Zeiten umfasst.

36. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der optische Aufbau ferner Mittel (201) zum Modulieren der Beleuchtung der Probe (185) umfasst.

37. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Reaktion natürliche Fluoreszenz von Gewebe nach Beleuchtung durch Erregung mit schmaler Wellenlänge umfasst.

38. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Reaktion durch selektiv absorbierte Farbe in pathologischem Gewebe erzeugt wird.

39. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Reaktion Raman- Streuung umfasst.

40. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Reaktion eine Kombination von Rückstreuung und Reflexion von den Volumenelementen umfasst.

41. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Anordnung von Feldstopps eine Anordnung (13) von individuell steuerbaren Beleuchtungsoptikverschlüssen zum sequenziellen Beleuchten der Volumenelemente (19) und eine Anordnung (16) von individuell steuerbaren Sammeloptikverschlüssen zum sequenziellen Sammeln elektromagnetische Strahlung, die von jedem der Volumenelemente entspringt, umfasst, und wobei der optische Aufbau ferner Beleuchtungslichtaufbereitungsoptik (12) zum Lenken einer Beleuchtung von der Quelle (11) zu der Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen, ein Beleuchtungsobjektiv (14) zum Fokussieren einer Beleuchtung auf die Volumenelemente, ein Sammelobjektiv (15) zum Fokussieren der Sammeloptikverschlüsse auf die Volumenelemente und eine Sammellichtaufbereitungsoptik zum Lenken der gesammelten elektromagnetischen Strahlung von der Anordnung von Sammeloptikverschlüssen zu dem Detektor (17) umfasst.

42. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Anordnung von Feldstopps eine Anordnung von individuell steuerbaren Beleuchtungsoptikverschlüssen (13, 24, 54, 83, 83', 98, 113, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) zum sequenziellen Beleuchten der Vielzahl der Volumenelemente (63, 85, 85') und eine Anordnung von individuell steuerbaren Sammeloptikverschlüssen (16, 24, 34, 59, 74, 83, 83', 98, 114, 134, 158, 310, 330, 340) zum sequenziellen Sammeln elektromagnetischer Strahlung, die von jedem der Volumenelemente entspringt, umfasst.

43. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei die Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen und die Anordnung von Sammeloptikverschlüssen jede eine Anordnung von individuell steuerbaren Flüssigkeitskristall-Verschlusselementen umfasst.

44. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei die Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen und die Anordnung von Sammeloptikverschlüssen jede eine Anordnung von individuell steuerbaren Flüssigkeitskristall-Verschlusselementen aus dipergiertem Polymer umfasst.

45. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei die Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen und die Anordnung von Sammeloptikverschlüssen jede eine Anordnung von individuell steuerbaren ferroelektrischen Verschlusselementen umfasst.

46. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei die Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen und die Anordnung von Sammeloptikverschlüssen jede eine Anordnung von individuell steuerbaren piezoelektrischen bimorphen Verschlusselementen umfasst.

47. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei die Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen und die Anordnung von Sammeloptikverschlüssen jede eine mikro-bearbeitete Anordnung von individuell steuerbaren elektrostatisch beweglichen Verschlusselementen umfasst.

48. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei der optische Aufbau ferner eine einzelne Beleuchtungsobjektivlinse (26, 77) zwischen der Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen (24, 74) und der Probe (27, 79) und eine einzelne Sammelobjektivlinse (23, 77) zwischen der Probe und der Anordnung von Sammeloptikverschlüssen umfasst.

49. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei der optische Aufbau ferner umfasst eine Anordnung (55) von Beleuchtungsobjektiv-Mikrolinsenelementen, die jeweils mit den Optikverschlüssen der Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen (54) ausgerichtet und zwischen der Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen und der Probe (57) positioniert sind, und eine Anordnung (59) von Sammelobjektiv-Mikrolinsenelementen, die jeweils mit den Optikverschlüssen der Anordnung von Sammeloptikverschlüssen (59) ausgerichtet und zwischen der Probe und der Anordnung von Sammeloptikverschlüssen positioniert sind.

50. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei die Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen und die Anordnung von Sammeloptikverschlüssen in nicht-interferierende Zonenanordnungen unterteilt sind und elektromagnetische Strahlung gleichzeitig von dem nicht-interferierenden Zonenanordnungen gesammelt wird.

51. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei die Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen (13, 24, 34, 54, 74, 83, 83', 98, 113, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) und die Anordnung von Sammeloptikverschlüssen (16, 24, 34, 59, 74, 83, 83', 98, 114, 134, 158, 310, 330, 340) jede eine Vielzahl von Zeilen und Spalten von Verschlusselementen umfasst.

52. Vorrichtung nach Anspruch 42, wobei die Anordnung von Beleuchtungsoptikverschlüssen und die Anordnung von Sammeloptikverschlüssen jede eine Anordnung von radial verteilten Verschlusselementen, eine lineare Anordnung von Verschlusselementen oder eine periphere Anordnung von Verschlusselementen umfasst.

53. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der optische Aufbau Beleuchtungsoptik (113, 119, 120, 145) zum sequenziellen Beleuchten der Vielzahl von Volumenelementen und Sammeloptik (112, 114, 123, 125) zum Sammeln elektromagnetischer Strahlung, die von jedem der Volumenelemente entspringt, umfasst, wobei die Beleuchtungsoptik ein Beleuchtungsbündel von Lichtwellenleitern (113) und ein Beleuchtungssteuermittel (120) zum sequenziellen Aktivieren von jedem der Lichtwellenleiter zum Lenken einer Beleuchtung von der Quelle (118) zu der Probe (124) umfasst, die Sammeloptik ein Sammelbündel von Lichtwellenleitern (114) und ein Sammelsteuermittel (123) zum sequenziellen Aktivieren von jedem der Lichtwellenleiter in dem Sammelbündel zum Lenken gesammelter elektromagnetischer Strahlung von der Probe zu dem Detektor (121) umfasst.

54. Vorrichtung nach Anspruch 53, wobei das Beleuchtungssteuermittel einen ersten rotierenden Spiegel (120) zum sequenziellen Lenken einer Beleuchtung in die Lichtwellenleiter des Beleuchtungsbündels (113) umfasst und wobei das Sammelsteuermittel einen zweiten rotierenden Spiegel (123) zum sequenziellen Lenken gesammelter elektromagnetischer Strahlung von den Lichtwellenleitern des Sammelbündels (114) zu dem Detektor (121) umfasst.

55. Vorrichtung nach Anspruch 53, wobei das Beleuchtungssteuermittel eine Anordnung von individuell steuerbaren Beleuchtungsoptikverschlüssen (134, 154), die jeweils mit den Lichtwellenleitern des Beleuchtungsbündels (133, 153) ausgerichtet sind, umfasst und wobei das Sammelsteuermittel eine Anordnung von individuell steuerbaren Sammeloptikverschlüssen (134, 154), die jeweils mit den Lichtwellenleitern des Sammelbündels (133, 153) ausgerichtet sind, umfasst.

56. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend einen Spektralanalysator (182), der zwischen dem optischen Aufbau und dem Detektor angeordnet ist.

57. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend ein zeitweiliges Interferometer, das zwischen dem optischen Aufbau und dem Detektor angeordnet ist.

58. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend ein Raum- Interferometer, das zwischen dem optischen Aufbau und dem Detektor angeordnet ist.

59. Vorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend eine Hadamard-Kodierungsmaske, die zwischen dem optischen Aufbau und dem Detektor angeordnet ist.

60. Verfahren zum Bestimmen einer Charakteristik einer Probe (19, 27, 37, 57, 79, 84, 84', 101, 124, 139, 159, 185) aus Material durch Interaktion von elektromagnetischer Strahlung mit der Probe, die Schritte umfassend:

- sequenzielles Beleuchten mit einem optischen Aufbau (12-14, 22, 24-26, 28, 34-36, 38, 41, 42, 52-56, 74, 76-78, 82, 82', 83, 83', 89, 89', 92, 96-100, 102, 113, 116, 119, 120, 125, 133-138, 140, 153-155, 157, 158, 160, 174-180, 184, 310, 330, 340, 360) einer Vielzahl von Volumenelementen (63, 85, 85') in der Probe durch Lenken elektromagnetischer Strahlung in die Probe mit einer Intensitätsverteilung in der Probe, die von einer ersten Region in einem ersten optischen Pfad im wesentlichen monoton abfällt;

- sequenzielles Sammeln mit dem optischen Aufbau (15, 16, 23-26, 33-36, 38, 43, 56, 58, 58', 59-61, 73-78, 83, 83', 86, 88, 88', 94-100, 102, 114, 117, 122, 123, 125, 133, 134, 136-138, 140, 141, 153, 154, 157, 158, 160, 161, 179, 180, 184, 310, 330, 340, 360) elektromagnetischer Strahlung, die von jedem der sequenziell beleuchteten Volumenelemente entspringt, mit einer Sammelverteilung, die von einer zweiten Region in einem zweiten optischen Pfad im wesentlichen monoton abfällt, wobei sich die ersten und zweiten Regionen in jedem der Volumenelemente mindestens teilweise überlappen, der optische Aufbau mindestens eine Anordnung (24, 34, 41, 43, 52, 54, 59, 61, 74, 83, 83', 98, 113, 114, 134, 154, 176, 310, 330, 340) von Feldstopps umfasst, deren Abmessungen groß sind im Vergleich zu einem Quotienten einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, geteilt durch eine numerische Arbeitsapertur des optischen Aufbaus, gemessen von den Feldstopps; und

- Erfassen der gesammelten elektromagnetischen Strahlung, die von jedem der sequenziell beleuchteten Volumenelemente entspringt, um eine Reaktion zu erzeugen, die die Charakteristik in jedem der Volumenelemente darstellt.

61. Verfahren nach Anspruch 60, wobei es sequenzielles Sammeln der elektromagnetischen Strahlung mit dem optischen Aufbau umfasst, wodurch mindestens eine Anordnung von Feldstopps eine einzelne Anordnung von individuell steuerbaren Optikverschlüssen (24, 34, 41, 43, 52, 54, 59, 61, 74183, 83', 98, 113, 114, 134, 154, 176, 310, 330, 340) umfasst.

62. Verfahren nach Anspruch 60, wobei das Verfahren ferner umfasst den Schritt zum Bewegen mindestens eines Abschnitts des optischen Aufbaus (12-15, 22-26, 28, 32-36, 38, 41-43, 52-56, 58, 58', 59-61, 73-78, 82, 82', 83, 83', 86, 88, 88', 89, 89', 92, 94-100, 102, 113, 114, 116, 117, 119, 120, 122, 123, 125, 133-138, 140, 141, 153-155, 157, 158, 160, 161, 174-180, 184, 310, 330, 340, 360) hinsichtlich der Probe (19, 27, 37, 57, 79, 84, 84', 101, 124, 139, 159, 185), um die Standorte der Volumenelemente (63, 85, 85') innerhalb der Probe entlang der optischen Achse der ersten und zweiten optischen Pfade zu variieren.

63. Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Schritt zum Beleuchten einer Vielzahl von Volumenelementen (63, 85, 85') gleichzeitiges Beleuchten zweier oder mehr nicht- interferierender Volumenelemente umfasst und wobei der Schritt zum Sammeln elektromagnetischer Strahlung gleichzeitiges Sammeln elektromagnetischer Strahlung umfasst, die von den nicht-interferierenden Volumenelementen entspringt.

64. Verfahren nach Anspruch 60, ferner umfassend sequenzielles Beleuchten und sequenzielles Sammeln mit dem optischen Aufbau, wodurch die Anordnung von Feldstopps eine Anordnung (74) von individuell beweglichen Mikrospiegeln (78) umfasst, wobei das Verfahren ferner sequenzielles Bewegen der Mikrospiegel der Anordnung zwischen einer aktiven Position zum Lenken einer Beleuchtung auf die Probe (79) und zum Lenken gesammelter elektromagnetischer Strahlung von der Probe zu einem Detektor (72) und einer inaktiven Position umfasst.

65. Verfahren nach Anspruch 60, ferner umfassend sequenzielles Beleuchten und sequenzielles Sammeln mit dem optischen Aufbau, wodurch die Anordnung von Feldstopps eine Anordnung (83, 83') von individuell beweglichen Mikrospiegeln (88, 88', 89, 89') umfasst, wobei jeder der Mikrospiegel ein Achsenversatzsegment eines Umdrehungsparaboloid umfasst, das Verfahren ferner Bewegungspaare der Mikrospiegel zwischen aktiven Positionen und inaktiven Positionen umfasst, ein Mikrospiegel (89, 89') eines aktiven Paars Beleuchtung auf die Probe (84, 84', 85, 85') lenkt und der andere Mikrospiegel (88, 88') des aktiven Paars elektromagnetische Strahlung, die von der Probe entspringt, auf einen Detektor (87, 87') lenkt.

66. Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Schritt zum Beleuchten einer Vielzahl von Volumenelementen ein Lenken einer Beleuchtung durch ein Bündel von Beleuchtungslichtwellenleitern (98, 113, 133, 153, 178) umfasst.

67. Verfahren nach Ansprüch 60, wobei der Schritt zum Sammeln elektromagnetischer Strahlung ein Lenken gesammelter elektromagnetischer Strahlung durch ein Bündel von Sammellichtwellenleitern (98, 114, 133, 153) umfasst.

68. Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Schritt zum Beleuchten einer Vielzahl von Volumenelementen Modulieren der Beleuchtung der Probe (185) umfasst.

69. Verfahren nach Anspruch 60, ferner umfassend sequenzielles Beleuchten und sequenzielles Sammeln mit dem optischen Aufbau, wodurch die mindestens eine Anordnung von Feldstopps eine Anordnung von individuell steuerbaren Beleuchtungsoptikverschlüssen (13, 24, 34, 54, 74, 83, 83', 98, 113, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) und eine Anordnung von individuell steuerbaren Sammeloptikverschlüssen (16, 24, 34, 59, 74, 83, 83', 98, 114, 134, 158, 310, 330, 340) umfasst.

70. Verfahren nach Anspruch 60, ferner umfassend sequenzielles Beleuchten und sequenzielles Sammeln mit dem optischen Aufbau, wodurch die mindestens eine Anordnung von Feldstopps eine Anordnung von individuell steuerbaren Beleuchtungselementen (13, 24, 34, 54, 74, 83, 83', 98, 113, 133, 134, 158, 176, 310, 330, 340) und eine Anordnung von individuell steuerbaren Sammelelementen (16, 24, 34, 59, 74, 83, 83', 98, 114, 134, 158, 310, 330, 340) umfasst.

71. Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Schritt zum Beleuchten einer Vielzahl von Volumenelementen ein Beleuchten der Volumenelemente zu verschiedenen Zeiten mit Quellen (11, 21, 31, 51, 71, 81, 81', 91, 118, 131, 151, 173) mit verschiedenen Spektren umfasst.

72. Verfahren nach Anspruch 60, wobei der Schritt zum Erfassen der gesammelten elektromagnetischen Strahlung durch eine Anordnung von Detektorelementen (183) durchgeführt wird.