WO1997005538A1

WO1997005538A1 - Optischer korrelator und verfahren zur korrelation optischer signale

Info

Publication number: WO1997005538A1
Application number: PCT/DE1996/001184
Authority: WO
Inventors: Gerald SÖLKNER
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1995-07-27
Filing date: 1996-07-03
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 1998-01-27
Also published as: DE19527540A1; DE19527540C2

Abstract

Die mittlere Fließgeschwindigkeit des Blutes in oberflächennahen Gewebeschichten läßt sich durch Analyse der in einem Specklemuster auftretenden, von der Bewegung der roten Blutkörperchen hervorgerufenen Intensitätsfluktuation messen. Benötigt werden optische Korrelatoren, die mehrere tausend Einzelspeckles gleichzeitig erfassen und parallel auswerten können. Der vorgeschlagene Korrelator besitzt eine Optik (3, 4), die das zu analysierende Specklemuster auf eine Lichtmodulator/Detektoreinheit (6, 9) und einen strahlungsempfindliche Bereiche Sij aufweisenden Detektor abbildet. Ein mit den jeweils um die Zeitspanne τ verzögerten Ausgangssignalen des Detektors (5) beaufschlagter Rechner (8) steuert den Lichtmodulator (6) derart an, daß die Transmission eines Modulatorbereichs Mij zur Zeit t von der im zugeordneten Detektorbereich Sij gemessenen Intensität Iij(t* = t - τ) abhängt. Der dem Lichtmodulator (6) nachgeschaltete Detektor (9) erzeugt dann jeweils ein der Autokorrelationsfunktion der auf Mij abgebildeten Speckles proportionales Ausgangssignal. Laser-Doppler-Meßgerät, Durchblutungsmeßgerät.

Description

Be s ehre ibung

Optischer Korrelator und Verfahren zur Korrelation optischer Signale

1. Einleitung und Stand der Technik

Durch Analyse der in einem Speckle-Muster auftretenden Inten- sitätsfluktuationen lassen sich die Rotation, die Deformation der Oberfläche und die Geschwindigkeit eines von einem Laser¬ strahl beleuchteten Körpers bestimmen. Seit einigen Jahren werden diese auf dem Speckle-Phänomen basierenden optischen Verfahren auch im Bereich der medizinischen Diagnostik einge- setzt, um die mittlere Fließgeschwindigkeit des Blutes in den obersten Hautschichten in vivo zu messen (s. beispielsweise [1, 2]) .

In kommerziell verfügbaren Laser-Doppler-Meßgeräten erfaßt man die vom beleuchteten Gewebe reflektierte Laserstrahlung mit Lichtwellenleitern, deren Kerndurchmesser etwa 100 μm be¬ trägt. Auf den Photodetektor werden deshalb typischerweise weniger als 10 Speckies abgebildet und einer Freguenzanalyse unterzogen, wobei die mittlere Fluktuationsfrequenz des ge- messenen Photonenstromes als Maß für die Fließgeschwindigkeit des Blutes dient. Als Strahlungsguelle finden vor allem Heli¬ um-Neon-Laser (λ = 633 nm) , aber auch Halbleiterlaser (λ = 800 nm) Verwendung. Laserstrahlung der Wellenlänge λ = 800 nm wird nur schwach im Gewebe absorbiert und dringt deshalb ver- gleichsweise tief in dieses ein. Es bereitet allerdings er¬ hebliche Schwierigkeiten, die Fließgeschwindigkeit des Blutes in tieferliegenden Gewebeschichten (d > 0,5 mm) zu bestimmen, da der Anteil der aus diesen Schichten in Richtung des Licht¬ wellenleiters reflektierten Strahlung exponentiell mit der Tiefe abnimmt. Zur Lösung dieses Problems wurde in [1 - 3] vorgeschlagen, viele Einzelspeckles in einem mehrkanaligen Verfahren parallel auszuwerten. 2. Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines optischen Korrela- 5. tors, den man insbesondere als Detektor in einem der Untersu¬ chung der Eigenschaften eines stark streuenden Mediums die¬ nenden Laser-Doppler-Meßgerät verwenden kann. Der Korrelator soll in der Lage sein, mehrere 1000 Einzelspeckles zu erfas¬ sen und parallel auszuwerten. Ein Korrelator mit den in Pa- 0 tentanspruch 1 angegebenen Merkmalen besitzt diese Eigen¬ schaft. Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Korrelators sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Patentansprüche 9 und 10 betreffen ein entsprechendes Verfahren zur Korrela¬ tion optischer Signale. 5

Mit Hilfe des im folgenden Abschnitt beschriebenen Korrela¬ tors lassen sich über N = IO⁵ Einzelspeckles simultan erfas¬ sen und einer Frequenzanalyse unterziehen. Durch Addition der den Einzelspeckles zugeordneten Autokorrelationswerte kann 0 das Signal-zu-Rausch-Verhältnis um den Faktor VN^" gegenüber den nur einzelne Speckies auswertenden Detektoren erhöht und die Meßzeit dadurch um mehr als einen Faktor 100 verkürzt werden. Das große Signal-zu-Rausch-Verhältnis erlaubt die Auswertung äußerst intensitätsschwacher Specklemuster, was 5 sich bei der Bestimmung der mittleren Fließgeschwindigkeit des Blutes in tieferliegenden Gewebeschichten vorteilhaft auswirkt. Möglich wird erstmals auch die Durchblutungsmessung am Gehirn, ohne hierbei den Schädelknochen öffnen zu müssen.

0 3. Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Wie eingangs erwähnt, wird die mittlere Fließgeschwindigkeit des Blutes in oberflächennahen Gewebeschichten durch Analyse der in einem Specklemuster auftretenden, von der Bewegung der 5 Streuzentren (rote Blutkörperchen) hervorgerufenen Intensi- tätεfluktuation gemessen. Die Auswertung kann hierbei auf ei¬ ner geeigneten Frequenzfilterung oder, dem äquivalent, der Bestimmung der zeitlichen Korrelationsfunktion beruhen (s. [4]) . Der in der Zeichnung schematisch dargestellte Detektor ist in der Lage, entsprechende Autokorrelationswerte für das ihm über ein Glasfaserbündel 1 oder eine Freistrahloptik zu- geführte Specklemuster zu erzeugen. Objektseitig sind die auf der Haut aufliegenden Glasfasern 2 hierbei jeweils mit Strah¬ lung der Intensität I^* _1D(t) beaufschlagt. Die dem Glasfaser¬ bündel 1 nachgeordnete, aus einem abbildenden Linsensystem 3 und einem Strahlteiler 4 bestehende Optik hat die Aufgabe, sowohl auf dem ortsauflösenden Detektor 5 (Detektor, der die Intensität in Abhängigkeit vom Ort mißt) als auch auf der im folgenden als Lichtmodulator (Spatial-Light-Modulator) be¬ zeichneten Einheit 6 eine dem Specklemuster entsprechende In¬ tensitätsverteilung zu erzeugen. Der Lichtmodulator 6 besitzt eine Matrix von Bereichen bzw. Pixel M_1D, deren Transmission sich individuell steuern läßt. In kommerziell erhältlichen Lichtmodulatoren verwendet man üblicherweise Flüssigkristalle als optische Schaltelemente, wobei die Anzahl der elektrisch adressierbaren Bereiche M.j modeil- und herstellerabhängig iεt. So besitzt der von Boulder Nonlinear Systems, Boulder, Colorado, USA gefertigte Lichtmodulator N = 128 x 128 Pixel, das Modell 2DX 320 von Döhrer Elektronenoptik, D-76299 Karls¬ bad N = 320 x 320 Pixel auf einer Fläche von 25,4 x 25,4 mm². Die Ansteuerfrequenz dieser Modulatoren liegt bei f < 1 kHz bzw. f = 10 - 20 Hz.

Um die aktive Fläche des Lichtmodulators 6 optimal auszu¬ leuchten und Intensitätsverluste zu vermeiden, sollte die An¬ zahl der Glasfasern 2 im Faserbündel 1 der Anzahl N der Pixel Mij entsprechen. Das Linsensystem 3 bildet dann jedes Faser¬ ende auf genau ein Pixel H₁₃ des Lichtmodulators 6 ab, so daß dort jeweils Laserstrahlung der Intensität I_ι:(t) einfällt.

Der ortauflösende Detektor 5 besteht aus einer Vielkanalplat- te 51 und einer im folgenden als CCD (Charge-Coupled-Device) bezeichneten Ladungsträgerverschiebeeinheit 52, wobei die An¬ zahl der der Photoelektronenvervielfachung dienenden Kanäle K_1D wiede 'ier Anzahl der Glasfasern 2 und damit der Anzahl N der Pixe -, des Lichtmodulators 6 entspricht. Jedem der mit Strahlung ar Intensität I_₃(t) beaufschlagten Kanäle K₁₃ sind mehrere Pixel der CCD 52 zugeordnet, da diese üblicherweise bis zu 1024 x 1024 strahlungsempfindliche Bereiche aufweist. Die die jeweils gemessenen Intensitäten I₁₃(t) repräsentie¬ renden Ausgangssignale der CCD 52 werden der elektronischen Verzögerungseinheit 7 zugeführt, dort um eine vorgegebene Zeitspanne τ von typischerweise 25 μs < τ < 10 ms verzögert und in den Rechner 8 eingelesen. Dieser steuert den Lichtmo¬ dulator 6 derart an, daß die Transmission eines Bereichs M. zum Zeitpunkt t der im zugeordneten Pixelbereich S_ι: des ortsauflösenden Detektors 5 gemessenen Intensität I._j(t - τ) zum Zeitpuntk t':= t - τ entspricht. Die Intensität I^c _ι;ι der von einem Bereich M_1D transmittierten Strahlung ist dann je¬ weils durch

I^C _1D := I_l3(t - τ) x I₁₃(t)

gegeben. Der ebenfalls aus einer Vielkanalplatte 91 und einer CCD 92 bestehende ortsauflösende Detektor 9 hat die Aufgabe, die vom Lichtmodulator 6 transmittierte Strahlung pixelweise zu erfassen und die jeweils gemessenen Intensitäten I^t ₁-,(t) über eine gewünschte Zeitspanne von typischerweise Δt = 1 s zu integrieren. Das Ausgangssignal des dem Pixel M_ι: zugeordneten Bereichs S'_1D des ortsauflösenden Detektors 9 repräsentiert dann die durch

gegebene Autokorrelationsfunktion A_ι;) (Δt ) des auf M₁₃ abgebil¬ deten Speckies . Die einzelnen Korrelationswerte A_{ι ;}, (Δt ) kön- nen nun separat abgespeichert werden, um anschließend die Messung bei geändertem τ zu wiederholen. Falls das abgebilde¬ te Specklermuster nur eine niedrige Intensität besitzt, emp¬ fiehlt es sich, die Autokorrelationswerte Ajj(Δt) in einem dem Detektor 9 nachgeschalteten Integrator 10 zu summieren und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis dadurch um einen Faktor gegenüber der Auswertung von einzelnen Speckies zu ver¬ bessern.

4. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des optischen Korrela- tors

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel. So kann man bei- spielsweise

- das Glasfaserbündel und/oder die Vielkanalplatte 51/91 ei¬ nes oder beider Detektoren 5/9 jeweils durch eine die De- tektionskanäle definierende Lochblende oder Maske ersetzen, sofern die Intensität des zu analysierenden Specklemusters ausreichend hoch ist;

- an Stelle der Vielkanalplatte 51/91 ein Glasfaserbündel vorsehen;

- an Stelle der CCD 52/92 ein Diodenarray oder ein Vidikon verwenden; - die elektrische Verzögerungseinheit 7 in den Rechner 8 in¬ tegrieren und

- von verschiedenen Quellen stammende Strahlenbündel auf den Lichtmodulator 6 und den ortsauflösenden Detektor 5 abzu¬ bilden und die jeweils gemessenen Intensitäten in beliebi- ger Weise korrelieren.

5. Literatur

[1] Optics Letters, 10 (1985) ; S. 104 - 106 [2] Applied Optics, 26 (1987) ; S. 5321 - 5324

[3] Applied Optics, 29 (1990) ; S. 2371 ff.

[4] Applied Optics, 20 (1981), S. 2097 - 2107

Claims

Patentansprüche

1. Optischer Korrelator mit den folgenden Merkmalen:

- Er enthält eine mit einem ersten Bündel elektromagnetischer Strahlung beleuchtete Modulatoreinheit (6), wobei die Modu¬ latoreinheit (6) eine Anzahl von Bereichen M_1D aufweist, deren Transmission sich individuell steuern läßt;

- Jeweils einem der mit elektromagnetischer Strahlung be¬ leuchteten Bereiche M_1D der Modulatoreinheit (6) ist zumin- dest ein strahlungsempfindlicher Bereich S'_1D eines ersten ortsauflösenden Detektors (9) zugeordnet, wobei der Bereich S'_1D ein individuell abgreifbares Ausgangssignal erzeugt, welches die Intensität der vom zugeordneten Bereich M_ι: der Modulatoreinheit (6) transmittierten Strahlung repräsen- tiert;

- Ein mit einem zweiten Bündel elektromagnetischer Strahlung beleuchteter zweiter ortsauflösender Detektor (5) weist strahlungsempfindliche Bereiche S_kι auf, welche jeweils ein individuell abgreifbares, die Intensität der auftreffenden Strahlung repräsentierendes Ausgangssignal erzeugen;

- Eine mit den Ausgangssignalen des zweiten ortsauflösenden Detektors (5) beaufschlagte Einrichtung (7, 8) steuert die Modulatoreinheit (6) derart an, daß jeweils die Transmissi¬ on eines Bereichs M_ι: zu einem ersten Zeitpunkt von der in einem zugeordneten Bereich Ski des zweiten ortsauflösender Detektors (5) zu einem zweiten Zeitpunkt gemessenen Strah¬ lungsintensität abhängt .

2. Optischer Korrelator nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine mit den Ausgangssignalen des ersten ortsauflosenden De¬ tektors (9) beaufschlagte Integrator- oder Summationseinheit (10) .

3. Optischer Korrelator nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die die Modulatoreinheit (6) ansteuerende Einrichtung (7, 8) eine mit den Ausgangεsignalen des zweiten ortsauflösenden Detektors (5) beaufschlagte Verzögerungseinheit (7) aufweist.

4. Optischer Korrelator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine optische Einheit (3, 4) zur Abbildung elektromagneti¬ scher Strahlung auf die Modualtoreinheit (6) und den zweiten ortεauflösenden Detektor (5) .

5. Optischer Korrelator nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die optische Einheit ein Linsensystem (3) und einen im- Strahlengang hinter dem Linsensystem (3) angeordneten Strahl- teiler (4) aufweist, wobei der Strahlteiler (4) das auf die Modulatoreinheit (6) gerichtete erste Strahlenbundel und das auf den zweiten ortsauflösenden Detektor (5) gerichtete zwei¬ te Strahlenbündel erzeugt .

6. Optischer Korrelator nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der optischen Einheit (3, 4) ein mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagtes Glasfaserbündel (1) vorgelagert ist, wobei die Anzahl der Glasfasern (2) zumindest der Anzahl der Bereiche M₁₃ der Modulatoreinheit (6) entspricht.

7. Optischer Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem ortsauflösenden Detektor (5, 9) eine Vielkanalplatte (51, 91), ein Glasfaserbündel oder eine Lochmaske vorgelagert ist .

8. Optischer Korrelator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine Ladungsträgerverschiebeeinrichtung (52, 92), ein Photo- diodenarray oder ein Vidikon als ortsauflösender Detektor.

9. Verfahren zur Korrelation optischer Signale, bei dem

- eine Modulatoreinheit (6) mit einem ersten Bündel elektro¬ magnetischer Strahlung beleuchtet wird, wobei die Modula¬ toreinheit (6) eine Anzahl von Bereichen (M_1D) aufweist, deren Tranεmiεsion sich individuell steuern läßt,

- ein ortsauflösender Detektor (5) mit einem zweiten Bündel elektromagnetischer Strahlung beleuchtet wird, wobei der ortsauflösende Detektor eine Anzahl strc lungsempfindlicher Bereiche S_kι aufweist, - die zu einem ersten Zeitpunkt in den Bereichen Ski gemesse¬ nen Strahlungsintensitäten die Transmission der den Berei¬ chen S_kι jeweils zugeordneten Bereiche M_ι: der Modulatorein¬ heit zu einem zweiten Zeitpunkt steuern und bei dem

- die Intensitäten der von den Bereichen M_1D jeweils trans- mittierten Strahlung gemessen und über eine vorgegebene

Zeitspanne integriert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die integrierten Intensitäten addiert werden.

11. Verfahren nach Anεpruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das erste und das zweite Bündel durch Strahlteilung eineε primären Strahlenbündelε erzeugt werden.

12. Verfahren nach Anεpruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das primäre Strahlenbündel ein Specklemuster ist.