WO2024094749A1

WO2024094749A1 - Vorrichtung und verfahren zur optischen erfassung von daten einer biologischen struktur

Info

Publication number: WO2024094749A1
Application number: PCT/EP2023/080464
Authority: WO
Inventors: Axel BOESE; Anna Schaufler; Roland Croner; Ulf Kahlert
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2022-11-03
Filing date: 2023-11-01
Publication date: 2024-05-10
Anticipated expiration: 2025-05-03
Also published as: DE102022129080A1; EP4611609A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur, aufweisend eine Lichtquelle (2) zur Bereitstellung einer Beleuchtungsstrahlung (BS) mindestens einer Wellenlänge sowie eine Mehrzahl optischer Lichtleiter (5) als Beleuchtungslichtleiter (5.1) zum Führen der Beleuchtungsstrahlung (BS) mittels Totalreflexion zu einem Probenort (9) und zur Abgabe der Beleuchtungsstrahlung (BS) an dem Probenort (9). Weiterhin sind mindestens ein optischer Detektionslichtleiter (5.2) zum Führen einer an dem Probenort (9) emittierten Detektionsstrahlung (DS) und ein Detektor (3) zur Erfassung der Detektionsstrahlung (DS) vorhanden. Gekennzeichnet ist die Vorrichtung (1) dadurch, dass die Beleuchtungslichtleiter (5.1) jeweils einen, innerhalb eines Abschnitts der Länge des jeweiligen Beleuchtungslichtleiters (5.1) ausgedehnten, Auskoppelbereich (7) aufweisen, über den die Beleuchtungsstrahlung (BS) zumindest teilweise aus dem Beleuchtungslichtleiter (5.1) ausgekoppelt und diffus an den Probenort (9) abgegeben werden kann. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs sowie ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch.

Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Vorrichtungen zur optischen Erfassung von Daten biologischer Strukturen bekannt (z. B. WO 1 998/038907 Al ; US 201 0/02281 24 Al ). Bei diesen wird zumeist gerichtet Beleuchtungslicht entlang einer Vorzugsrichtung abgestrahlt, um entweder direkt Bilddaten zu erfassen oder um eine geeignete Detektionsstrahlung hervorzurufen, die anschließend erfasst und ausgewertet werden kann. Bekannt ist beispielsweise, biologische Strukturen mit anregbaren Molekülen (Fluorophoren) zu markieren. Alternativ kann eine vorhandene Autofluoreszenz der betreffenden biologischen Struktur genutzt werden, um eine Detektionsstrahlung zu bewirken. Vorrichtungen zur optischen Erfassung können temporär an die biologische Struktur gebracht werden oder dauerhaft dort angeordnet sein (z. B. WO 2021 /050843 Al ).

Nachteilig an den Verfahren und Vorrichtungen des Standes der Technik ist, dass eine direkte Beleuchtung die biologische Struktur schaden kann. Zum anderen können die erfassten Daten bereits bei einer leichten Veränderung des Beleuchtungswinkels oder bei einer Veränderung der biologischen Struktur, beispielsweise wenn diese wächst, sich ausdifferenziert oder sich hinsichtlich ihres Zustands verändert, kaum noch reproduzierbar sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur vorzuschlagen, mittels der die Nachteile des Standes der Technik reduziert sind.

Die Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur gemäß dem unabhängigen und dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Vorrichtung weist eine Lichtquelle zur Bereitstellung einer Beleuchtungsstrahlung mindestens einer Wellenlänge auf. Eine beispielsweise als ein Bündel vorliegende Mehrzahl optischer Lichtleiter dienen als Beleuchtungslichtleiter zum Führen der Beleuchtungsstrahlung zu einem Probenort. An diesem wird die Beleuchtungsstrahlung abgegeben. Das Führen erfolgt im Wesentlichen mittels einer Totalreflexion an einer Wandung des Lichtleiters. Die Totalreflexion kann durch den Querschnitt des Lichtleiters und eine Brechkraft einer Ummantelung (cladding) des jeweiligen Lichtleiters bedingt sein, wobei die Brechkraft abgestimmt sein kann auf die Wellenlänge beziehungsweise den Wellenlängenbereich der Beleuchtungsstrahlung. Weiterhin ist mindestens ein optischer Detektionslichtleiter zum Führen einer an dem Probenort emittierten Detektionsstrahlung vorhanden, wobei diese zu einem Detektor geführt wird, der zur Erfassung der Detektionsstrahlung dient.

Gekennzeichnet ist die Vorrichtung dadurch, dass die Beleuchtungslichtleiter jeweils einen, innerhalb eines Abschnitts der Länge eines jeweiligen Beleuchtungslichtleiters ausgedehnten, Auskoppelbereich aufweisen, durch den die Beleuchtungsstrahlung zumindest teilweise ausgekoppelt wird, wobei eine ungerichtete, diffuse Abgabe der ausgekoppelten Beleuchtungsstrahlung an die Umgebung, das heißt insbesondere an den Probenort, erfolgen kann beziehungsweise erfolgt.

Ein wichtiger Gedanke der Erfindung liegt in der ungerichteten beziehungsweise diffusen Abgabe der Beleuchtungsstrahlung, wodurch eine gleichmäßige Beleuchtung eines Probenorts erfolgt und ein Signal über einen großen räumlichen Sektor hervorgerufen werden kann. Außerdem entbindet eine diffuse Beleuchtung einen Anwender der Erfindung von der Aufgabe, die Beleuchtung gezielt auszurichten beziehungsweise deren Ausrichtung über einen Erfassungszeitraum kontrollieren zu müssen.

Für die Erfindung von Bedeutung ist die diffuse Abgabe der Beleuchtungsstrahlung möglichst über den gesamten Auskoppelbereich. Die diffuse Beleuchtung kann beispielsweise erreicht werden, indem über die Ausdehnung des Auskoppelbereichs eine Modifikation des Querschnitts des Beleuchtungslichtleiters und/oder seiner Ummantelung erfolgt. Durch diese Modifikation wird die Totalreflektion dort wenigstens teilweise aufgehoben. So kann zum Beispiel ein Querschnitt verändert werden, um einen Anteil der in dem Lichtleiter geführten Beleuchtungsstrahlung auszukoppeln, indem diese anteilig unter Winkeln auf die Außenwand des Lichtleiters trifft, die keine Totalreflexion bewirken. Auch die Wahl der optischen Eigenschaften wie des Brechungsindex der jeweils verwendeten Umhüllung (cladding) beziehungsweise ein örtlicher Verzicht auf eine solche Umhüllung, kann die Abgabe der Beleuchtungsstrahlung unterstützen.

Im Folgenden werden Lichtleiter als Beleuchtungslichtleiter bezeichnet, wenn diese Beleuchtungslicht zum Probenort führen. Detektionslichtleiter sind Lichtleiter, die Detektionsstrahlung zu einem Detektor führen. Ist nachfolgend in einem technischen Zusammenhang die konkrete Funktion nicht relevant, wird auch vereinfachend von Lichtleitern gesprochen.

Um die diffuse Beleuchtung eines Probenorts vorteilhaft zu fördern, können die Beleuchtungslichtleiter zumindest abschnittsweise, bevorzugt über die Länge des jeweiligen Auskoppelbereichs, eine flächige oder räumliche Struktur bilden. So kann jeder oder je eine Anzahl von Lichtleitern als ein Knäuel ausgestaltet sein, bei dem die Lichtleiter wenigstens über die Länge des Auskoppelbereichs in ungerichteter Weise verschlungen sind.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform können die Lichtleiter zumindest abschnittsweise, bevorzugt über die Länge eines jeweiligen Auskoppelbereichs, in einer gerichteten Weise angeordnet sein und eine flächige oder räumliche Struktur bilden. Beispielsweise können die Beleuchtungslichtleiter vereinzelt werden und als eine Schlaufe geführt sein. Sie können auch zueinander parallel oder sich kreuzend in mindestens einer Lage so um einen formgebenden Grundkörper („Dummy“) gelegt, gewebt oder gewickelt sein, dass sie diesen in einem regelmäßigen Muster umfangen. Bevorzugt kann der Grundkörper, insbesondere nach Fertigstellung der räumlichen Struktur und gegebenenfalls nach Fixierung der Beleuchtungslichtleiter zur (elastischen) Beibehaltung der räumlichen Struktur auch ohne den formgebenden Grundkörper, wieder entfernt werden. Der Grundkörper ist dabei vorteilhaft elastisch verformbar, plastisch verformbar oder in mehrere Einzelteile zerlegbar, um diesen wieder aus der räumlichen Struktur entfernen zu können oder um die räumliche Struktur an die Form eines konkreten Probenortes anpassen zu können.

Eine Möglichkeit zur effektiven Ausnutzung des verfügbaren Materials und Bauraums im Rahmen der Erfindung besteht darin, die Lichtleiter nach der durch den Auskoppelbereich gebildeten flächigen oder räumlichen Struktur als Detektionslichtleiter weiterzuführen. Auf diese Weise wird vermieden, dass die Beleuchtungslichtleiter in mehr oder weniger spitzen Einzelfasern enden. Solche Faserenden wären einerseits nachteilig, weil an diesen ein Großteil der Beleuchtungsstrahlung mehr oder weniger gerichtet austreten würde, was im Widerspruch zu dem Ziel einer diffusen Beleuchtung stünde. Zum anderen sind Faserenden fragil und würden zudem eine Verwendbarkeit der Vorrichtung als Implantat (siehe weiter unten) wegen ihrer potenziell gewebereizenden Wirkung nachteilig beeinflussen.

Um eine hohe Flexibilität und eine geringe Bruchgefahr der Lichtleiter zu erreichen, sind diese vorteilhaft aus einem Polymer gefertigt. Als Polymer können beispielsweise PMMA-Faserkerne (PMMA = Polymethylmethacrylat) mit biokompatibler Ummantelung dienen.

Sollen in einer Ausführungsform der Erfindung die Lichtquelle und der Detektor nahe beieinander angeordnet werden, um zum Beispiel eine kompakte Bauform der Vorrichtung zu ermöglichen, können die Lichtleiter nach oder bereits in dem Auskoppelbereich gebogen sein, wobei die Detektionslichtleiter beispielsweise im Wesentlichen parallel zum Verlauf der Mehrzahl von Beleuchtungslichtleitern angeordnet sind.

Um nun eine Detektionsstrahlung aus dem Probenort wenigstens in eine Anzahl der Lichtleiter einzukoppeln, weisen diese einen Einkoppelbereich auf. In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Einkoppelbereich durch eine Sammeloptik gebildet. Diese kann beispielsweise an einem Faserende eines Detektionslichtleiters vorhanden und zum Beispiel als eine optische Linse ausgebildet sein.

Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch vorteilhafter, wenn die Beleuchtungslichtleiter nach dem Auskoppelbereich als Detektionslichtleiter weitergeführt werden und entweder der Auskoppelbereich im Wesentlichen zugleich als Einkoppelbereich fungiert oder Auskoppelbereich und Einkoppelbereich aufeinanderfolgen.

Je nach Wellenlänge der zu erfassenden Detektionsstrahlung kann diese in einem kombinierten Auskoppel- und Einkoppelbereich infolge der modifizierten Querschnitte und/oder Ummantelung, soweit diese überhaupt dort vorhanden ist, in die Lichtleiter eintreten. Die Führung der eingekoppelten Detektionsstrahlung in Richtung des Detektors erfolgt wieder nach dem bekannten Prinzip der Totalreflektion. Beispielsweise kann der Detektionslichtleiter innerhalb des Einkoppelbereichs einen modifizierten Querschnitt, bevorzugt infolge eines Anschliffs, aufweisen. Durch den Anschliff ist ein optisches Fenster verwirklicht, durch das Detektionsstrahlung in den Detektionslichtleiter einkoppeln kann.

Um die Effizienz der Ein und/oder Auskopplung weiter zu erhöhen, ist denkbar, dass innerhalb des Ein- und/oder des Auskoppelbereichs mindestens ein optisches Beugungsgitter angeordnet oder ausgebildet ist, welches auf die jeweilige Beleuchtungsstrahlung und/oder Detektionsstrahlung angepasst ist. Beispielsweise kann durch Aufbringung oder Einbringung eines Beugungsgitters auf oder in den jeweiligen Lichtleiter die Effizienz der Einkopplung von Detektionsstrahlung wellenlängenselektiv auf die jeweilige Detektionsstrahlung abgestimmt und ferner eine (Wieder-)Einkopplung von Beleuchtungsstrahlung oder anderer parasitärer Strahlung unterbunden oder vermindert werden.

Werden die einzelnen Lichtleiter, wie oben beschrieben, in einem bekannten Muster zur räumlichen Struktur angeordnet und erstrecken sich die jeweiligen Auskoppelbereiche beziehungsweise Einkoppelbereiche lediglich über jeweils bekannte Sektoren der flächigen oder räumlichen Struktur, kann eine ungefähre Lokalisierung der Ursprungsorte der erfassten Detektionsstrahlung erfolgen.

Dazu ist es von Vorteil, wenn die Detektionslichtleiter oder Bündel dieser jeweils ausschließlich bestimmten Detektorelementen eines ortsauflösenden Detektors, beispielsweise eines Detektors mit einem CCD-, CMOS- oder sCMOS-Chip, zugeordnet sind. So kann ein erfasstes Signal einem bestimmten Detektionslichtleiter oder eben einem bestimmten Bündel von Detektionslichtleitern zugeordnet werden. Ist die räumliche Anordnung der betreffenden Lichtleiter beziehungsweise deren Einkoppelbereiche bekannt, kann eine ungefähre Lokalisierung des Ursprungsorts des Signals vorgenommen werden.

Falls es für eine nachfolgende Signalauswertung von Bedeutung ist, kann mindestens ein weiterer Lichtleiter ohne Auskoppelbereich und Einkoppelbereich angeordnet sein und als Referenzleiter fungieren. Mit einer solchen Ausführung können beispielsweise Signalbeiträge bewertet werden, die außerhalb des Einkoppelbereichs in den Lichtleiter gelangen.

Ferner kann vor dem Detektor ein optischer Filter oder Strahlteiler angeordnet sein, der transparent ist für die jeweilige Detektionsstrahlung, jedoch Strahlung anderer Wellenlängen blockiert oder von dem Detektor weglenkt, beispielsweise in Richtung einer Strahlfalle. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Implantat verwendet werden. In diesem Verwendungsfall ist es von Vorteil, wenn eine Energieversorgungsquelle der Lichtquelle und/oder des Detektors, insbesondere ein Energiespeicher, vorhanden ist, die kontaktlos aufgeladen werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann eine Ansteuerung der Lichtquelle und/oder des Detektors kontaktlos, beispielsweis via Ethernet, Bluetooth oder dergleichen erfolgen. Ebenfalls können die von dem Detektor erfassten Bilddaten vorteilhaft kontaktlos ausgelesen und beispielsweise an einen externen Speicher übertragen werden.

Außerdem erlauben die verwendeten Lichtleiter vorteilhaft, dass die Auskoppel- und Einkoppelbereiche räumlich getrennt von der Lichtquelle und/oder dem Detektor vorhanden sein können. Beispielsweise können die Aus- und Einkoppelbereiche in einem Organ platziert sein und lediglich einen geringen Platzbedarf aufweisen, während Lichtquelle und Detektor entfernt an Bereichen, beispielweise im Unterhautfettgewebe, angeordnet werden. Letzteres unterstützt zudem die vorstehend beschriebene kontaktlose Energieversorgung, Steuerung und/oder Datenübertragung.

Wie bereits angeklungen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft als ein Implantat verwendet werden. So besteht eine als besonders vorteilhaft anzusehende Verwendung der Vorrichtung darin, diese in einem Verfahren zur Überwachung von Operationsfeldern, insbesondere von Resektionshöhlen, menschlicher oder tierischer Körper einzusetzen.

Das durch die Beleuchtungslichtleiter gebildete Netzwerk kann vorteilhaft in ein zu beobachtendes Gewebe einwachsen und sogar vorteilhaft als unterstützende Struktur für neues Zellwachstum dienen. Die Lichtleiter, seien es die Beleuchtungslichtleiter oder die Detektionslichtleiter, können weiterhin beispielsweise mit radioaktiven Partikeln und/oder mit Medikamenten beladen sein, um direkt vor Ort eine gewünschte Wirkung auf die Zellen beziehungsweise auf das Gewebe zu erzielen.

Außerdem kann die Lichtquelle derart ansteuerbar sein, dass in Abhängigkeit von den erfassten Bilddaten und deren Analyse die Wellenlänge und/oder die Intensität der Beleuchtungsstrahlung angepasst wird, um gewünschte Wirkungen in der beobachteten biologischen Struktur hervorzurufen.

Ein positiver Effekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch in einer Unterstützung anderer Bildgebungsverfahren liegen. So können die Lichtleiter den Kontrast beziehungsweise die Orientierung während einer Bildgebung mittels anderer Verfahren erhöhen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in einem Verfahren zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur benutzt werden. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Bereitstellens einer Beleuchtungsstrahlung mindestens einer Wellenlänge sowie des Führens der Beleuchtungsstrahlung mittels eines Bündels von als Beleuchtungslichtleiter dienenden Lichtleitern zu einem Probenort, wobei das Führen im Wesentlichen infolge einer Totalreflexion an einer durch den Querschnitt und infolge einer Ummantelung eines jeweiligen Lichtleiters erfolgt. An den Probenort wird die Beleuchtungsstrahlung entlang eines Auskoppelbereichs des Beleuchtungslichtleiters abgegeben, wobei die Beleuchtung ungerichtet, also diffus, erfolgt.

Eine durch Wirkung der Beleuchtungsstrahlung hervorgerufene Detektionsstrahlung wird daraufhin erfasst, indem diese an einem Einkoppelbereich der jeweiligen Beleuchtungslichtleiter in den Lichtleiter eingekoppelt und als Detektionsstrahlung einem Detektor zugeführt wird.

Die Detektionsstrahlung kann dabei eine gewebespezifische Reaktion auf die verwendete Beleuchtungsstrahlung sein. So ist bekannt, dass in biologischen Geweben eine Reihe endogener Verbindungen existieren, die mit einer geeigneten Wellenlänge und Intensität der Beleuchtungsstrahlung zur Autofluoreszenz angeregt werden können. Die emittierte Fluoreszenzstrahlung kann über die jeweiligen Einkoppelbereiche in die Detektionslichtleiter gelangen und im Ergebnis detektiert werden.

Aus dem Stand der Technik ist es zudem bekannt, einer biologischen Struktur Substanzen zuzufügen, die entweder unmittelbar selbst zur Emission von Fluoreszenzstrahlung angeregt werden können (Fluorophore oder fluoreszierende Marker) oder die im Stoffwechsel lebender biologischer Strukturen zur Bildung und gegebenenfalls selektiven Anreicherung anregbarer und fluoreszierender Verbindungen führen. Ein bekanntes Beispiel ist die 5-Aminolävulinsäure. Diese wird beispielsweise in Tumorzellen und tumorartigen Zellen stärker als in gesunden Zellen angereichert und zu Protoporphyrin IX umgesetzt. Auf diese Weise kann mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens das Vorhandensein von autofluoreszenten Zellen und/oder von spezifisch markierten Zellen, wie eben Tumorzellen und tumorartige Zellen, nachgewiesen werden. Weitere im Rahmen der Erfindung verwendbare Substanzen sind zum Beispiel ICG (Indocyaningrün), sowie polyaromatische Hydrocarbone oder Heterozyclen.

Es ist auch möglich, markierte Zellen mittels einer Beleuchtungsstrahlung einer ausgewählten Wellenlänge, Intensität und/oder Pulsfrequenz gezielt zu beeinflussen. Dabei können in den Zellen vorhandene endogene und/oder von extern zugeführten und gegebenenfalls angereicherten Substanzen genutzt werden, die in Reaktion mit der applizierten Beleuchtungsstrahlung die Zelle beispielsweise stimulieren oder schädigen. So kann beispielsweise eine Erwärmung bestimmter Zellen (Hyperthermie) bewirkt werden.

Die Auswertung der Detektionsstrahlung kann hinsichtlich ihrer spektralen Zusammensetzung und/oder der erfassten Intensitäten ausgewählter Wellenlängen erfolgen. Dabei ist es vorteilhaft möglich, bereits das Auftreten mindestens einer ausgewählten Wellenlänge der Detektionsstrahlung und/oder das Erreichen eines Schwellwertes der Intensität einer ausgewählten Wellenlänge zu registrieren und optional zu speichern. Die Schwellenwerte können beispielsweise vorab experimentell oder mittels einer geeigneten Simulation ermittelt werden.

Vorteilhafterweise kann auf eine räumliche Lokalisierung der Herkunft beispielsweise eines einen Tumor anzeigenden Signals verzichtet werden. Allein das Vorhandensein eines derartigen Signals kann als Anlass genommen werden, nachfolgende Untersuchungen vorzunehmen.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann als Analysetechnik zum Zwecke der Auswertung der Lichtsignale bzw. der Detektionsstrahlung auch die hyperspektrale Bildgebung, respektive Hyperspectral Imaging (HSI), zur Anwendung kommen. Bei dieser Analysetechnik werden Hunderte von Bildern mit unterschiedlichen Wellenlängen für denselben räumlichen Bereich aufgezeichnet. Die gesammelten Daten bilden einen sogenannten hyperspektralen Würfel, bei dem zwei Dimensionen die räumliche Ausdehnung der Szene und die dritte ihren spektralen Inhalt darstellen. Da jeder Gewebebereich eine spezifische spektrale Signatur besitzt, so kann diese als "Fingerabdruck" für seine eindeutige Identifizierung verwendet werden. Der wesentliche Vorteil der hyperspektralen Bildgebung in der vorliegenden Erfindung besteht in seiner unauffälligen, markierungsfreien und zerstörungsfreien Fähigkeit zur Erkennung unterschiedlicher Bestandteile von Gewebe bzw. zur Unterscheidung unterschiedlicher biologischer Strukturen. Besonders vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren auch im Bereich des Entzündungsmanagements eingesetzt werden. Das Einbringen von medizinischen Implantaten in den menschlichen Körper, beispielsweise Langzeitimplantate in Gestalt von Herzschrittmachern, Neuroimplantaten, Hüft- und Knieprothesen oder Kathetern, kann zu einer kontraproduktiven Adsorption unspezifischer Biomoleküle und einer unerwünschten Gewebeeinkapselung des verwendeten Biomaterials und damit zum Funktionsverlust des Implantats führen. Auch wenn derzeit unterschiedliche Lösungsansätze zum Funktionserhalt von Implantaten zur Anwendung gelangen, kann eine akute oder chronische Antwort des menschlichen Organismus nicht ausgeschlossen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann im Zusammenwirken mit dem in den menschlichen oder tierischen Körper eingebrachten Implantat besonders vorteilhaft zur Detektion von Entzündungsreaktionen, Biofouling, Makrophagen und Fibroblasten von postoperativen Gewebestrukturen eingesetzt werden. Die Detektion der das Implantat umschließenden oder kontaktierenden Gewebestrukturen kann dabei selbsttätig in vordefinierten Zeitabschnitten erfolgen oder initiiert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Ausbildung der Auskoppelbereiche in Form einer Schlaufe;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Ausbildung der Auskoppelbereiche als ein reguläres flächiges Netzwerk;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Ausbildung der Auskoppelbereiche als eine erste reguläre räumliche Struktur;

Fig. 4 eine schematische Detaildarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Ausbildung der Auskoppelbereiche als eine zweite reguläre räumliche Struktur; Fig. 5 eine schematische Detaildarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Ausbildung der Auskoppelbereiche als ein irreguläres räumliches Netzwerk;

Fig. 6 eine Darstellung einer Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß des zweiten Ausführungsbeispiels als Implantat in einem Verfahren zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur; und

Fig. 7 eine Darstellung einer Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels als Implantat in einem Verfahren zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur.

Die nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiele sind vereinfacht und nicht maßstabsgetreu gezeigt. Im Folgenden sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist als wesentliche technische Elemente eine Lichtquelle 2 zur Bereitstellung einer Beleuchtungsstrahlung BS mindestens einer Wellenlänge, einen Detektor 3 zur Erfassung einer Detektionsstrahlung DS sowie eine Mehrzahl optischer Lichtleiter 5 auf (Fig. 1 ). Diese sind ausgehend von der Lichtquelle 2 als Beleuchtungslichtleiter 5.1 zum Führen einer Beleuchtungsstrahlung BS zu einem Probenort 9 ausgebildet. Die Beleuchtungslichtleiter 5.1 weisen über einen Abschnitt ihrer Länge einen Auskopppelbereich 7 auf, der zur Abgabe der Beleuchtungsstrahlung BS an den Probenort 9 ausgebildet ist. Die Lichtleiter 5 sind nach dem Auskoppelbereich 7 als optische Detektionslichtleiter 5.2 realisiert, die zum Führen einer vorzugsweise am Probenort 9 erfassten Detektionsstrahlung DS dienen. Das Führen der Beleuchtungsstrahlung BS im Beleuchtungslichtleiter 5.1 sowie der Detektionsstrahlung DS in dem mindestens einen Detektionslichtleiter 5.2 erfolgt im Wesentlichen infolge einer Totalreflexion an einer Wandung der Lichtleiter 5. Die Totalreflexion ist dabei durch den Querschnitt des Lichtleiters 5 und die Brechkraft einer Ummantelung des jeweiligen Lichtleiters 5 bedingt. Der als Abstrahlbereich der Beleuchtungsstrahlung BS dienende Auskoppelbereich 7 bewirkt eine diffuse Abgabe der Beleuchtungsstrahlung BS an die Umgebung (in den Figuren durch dünne Pfeile ohne Bezugszeichen symbolisiert). Entweder auf den Auskoppelbereich 7 folgend oder funktional mit diesem eine Einheit bildend ist ein Einkoppelbereich 8 vorhanden, über dessen Ausdehnung eine von der Umgebung, beispielsweise von dem Probenort 9, kommende Detektionsstrahlung DS in die Lichtleiter 5 eingekoppelt werden kann. Die so in die Detektionslichtleiter 5.2 gelangte Detektionsstrahlung DS wird zum Detektor 3 geführt und dort erfasst. Die Lichtquelle 2 und/oder der Detektor 3 sind mit einem Energiespeicher 4, insbesondere einer Batterie oder einem wiederaufladbaren Akkumulator, in einer für die Übertragung von elektrischer Energie geeigneten Weise verbunden.

Lichtquelle 2, Detektor 3 und Energiespeicher 4 sind vorteilhaft von einem Gehäuse umgeben.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen werden die Beleuchtungslichtleiter 5.1 als Bündel geführt. Über den Auskoppelbereich 7 sowie den Einkoppelbereich 8 sind diese vereinzelt und zu einer Schlaufe gelegt. Auf diese Weise steht eine große Oberfläche für die Abgabe der Beleuchtungsstrahlung BS sowie die Einkopplung der Detektionsstrahlung DS zur Verfügung.

Ab dem Ende des Einkoppelbereichs 8 sind die einzelnen Detektionslichtleiter 5.2 wieder als Bündel geführt, was einer höheren Stabilität der Lichtleiter 5 und einem reduzierten Signalverlust dient.

Gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 bilden die Auskoppelbereiche 7 und die Einkoppelbereiche 8 der Lichtleiter 5 ein reguläres flächiges Netzwerk (Fig. 2). Eine solche Ausführung ist beispielsweise für eine optischen Erfassung von Daten eines schmalen, aber ausgedehnten Probenorts 9, beispielsweise einer Tasche oder Falte einer biologischen Struktur, geeignet.

Soll ein eher ausgeprägt dreidimensional räumlicher Probenort 9 beleuchtet werden, können die Auskoppelbereiche 7 und die Einkoppelbereiche 8 als eine reguläre räumliche Struktur ausgebildet sein. Dazu können in diesem Bereich die vereinzelten Lichtleiter 5, oder kleinere Bündel dieser, um einen Grundkörper 6 angeordnet werden. Dieser kann je nach zu erfüllender Messaufgabe der Vorrichtung 1 ein dauerhafter Bestandteil der Vorrichtung 1 sein. In weiteren Ausführungen kann der Grundkörper 6 auch der regelmäßigen, jedenfalls aber einer vorbestimmten, Anordnung der Lichtleiter 5 entlang ihrer Auskoppel- und Einkoppelbereiche 7, 8 sowie deren Stabilisierung während einer Positionierung der Vorrichtung 1 dienen. Nach erfolgter Positionierung kann der Grundkörper 6 entfernt werden, sodass nur die Lichtleiter 5 am Probenort 9 verbleiben. In weiteren Ausführungen dient der Grundkörper 6 der Formgebung während der Herstellung der räumlichen Struktur und wird nach Fertigstellung der räumlichen Struktur wieder entfernt. Das eigentliche, beispielsweise als Implantat zu nutzende, Gebilde wird beispielsweise als hohles Oval oder in Form eines hohlen Netzballs verwendet.

In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführung der Auskoppelbereiche als eine weitere reguläre räumliche Struktur gezeigt. Alternativ kann der Grundkörper 6 auch aus einem flexiblen Material bestehen und beispielsweise während der Positionierung deformiert werden, um einen geringeren Querschnitt und damit eine leichtere Positionierbarkeit zu erreichen.

Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele ermöglichen aufgrund ihrer regulären Anordnung der Lichtleiter 5 bei Kenntnis der Orientierung der Auskoppelbereiche 7 und/oder Einkoppelbereiche 8 der jeweiligen Lichtleiter 5 relativ zueinander und zum Probenort 9 eine ungefähre Lokalisierung des Ursprungsorts beziehungsweise der Ursprungsorte der erfassten Detektionsstrahlung DS. Dazu kann der Detektor 3 als ein ortsauflösender Detektor 3, beispielsweise in Form eines CCD, CMOS oder eines Arrays von Einzeldetektoren, z. B. Photodioden, ausgebildet sein. Jeder an dem Detektor 3 endende Detektionslichtleiter 5.2 ist genau und ausschließlich einem Detektorelement oder bestimmten Detektorelementen (nicht gezeigt) zugeordnet. Die Information über die tatsächlich Detektionsstrahlung DS erfassenden Detektorelemente kann so für eine Lokalisierung genutzt werden.

In einem fünften Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sind die Auskoppelbereiche 7 sowie die Einkoppelbereiche 8 als ein irreguläres räumliches Netzwerk ausgebildet (Fig. 5). In einer solchen Ausprägung der Erfindung kann die Positionierung besonders leicht erfolgen und es wird eine große Oberfläche der Lichtleiter 5 erzielt, was eine gleichmäßige diffuse Beleuchtung sowie eine effiziente Erfassung der Detektionsstrahlung DS unterstützt.

In allen vorgenannten Ausführungsbeispielen können die Auskoppelbereiche 7 und die Einkoppelbereiche 8 jedes Lichtleiters 5 aufeinander folgen. Eine solche Gestaltung hat Vorteile, wenn eine Lokalisierung der Ursprungsorte erfasster Detektionsstrahlung DS erfolgen soll.

Es ist in allen vorgenannten Ausführungsbeispielen auch möglich, dass die Auskoppelbereiche 7 zugleich als Einkoppelbereiche 8 fungieren.

In der Fig. 6 ist eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß des dritten Ausführungsbeispiels (siehe Fig. 3) als Implantat in einem Verfahren zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur gezeigt. Die Vorrichtung 1 ist in dem Körper eines Patienten implantiert, wobei die Auskoppelund Einkoppelbereiche 7, 8 in einer Resektionshöhle im Gehirn des Patienten angeordnet sind. Mittels einer hinsichtlich der zeitlichen Abstände, Beleuchtungsund Erfassungsdauer sowie der verwendeten Wellenlängen und Intensitäten gesteuerter Abgabe von Beleuchtungsstrahlung BS, kann am Probenort 9 eine Detektionsstrahlung DS bewirkt und erfasst werden. Die erfassten Daten können instantan kontaktlos an eine außerhalb des Körpers befindlichen

Empfangseinheit 1 0 übertragen werden. Alternativ kann der Detektor 3 über einen auslesbaren Datenspeicher verfügen. Diese können beispielsweise blockweise durch die Empfangseinheit 1 0 ausgelesen und weitergeleitet werden (durch einen Pfeil angedeutet).

Ist die Empfangseinheit 1 0 entsprechend ausgerüstet und konfiguriert, kann diese auch Steuerbefehle an die Vorrichtung 1 übertragen und/oder dem kontaktlosen Aufladen des Energiespeichers 4 (siehe Fig. 1 bis 3) dienen.

In einer weiteren Darstellung einer Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 als Implantat in einem Verfahren zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur ist ein von extrakorporal kontaktierbarer Stecker 1 1 vorhanden. Wird mittels diesem eine Steckverbindung mit einer externen Empfangseinheit 1 0 hergestellt, kann auf diesem Weg eine Übertragung von Daten und Steuerbefehlen sowie ein Aufladen des Energiespeichers 4 erfolgen.

Eine weitere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, den Stecker 1 1 bei Bedarf zu nutzen und über diesen die Beleuchtungsstrahlung BS den Lichtleitern 5 von einer externen Lichtquelle 2 zuzuführen und/oder eine Detektionsstrahlung DS auf einen ebenfalls extern angeordneten Detektor 3 zu lenken.

Bezugszeichen

1 Vorrichtung

2 Lichtquelle 3 Detektor

4 Energiespeicher

5 Lichtleiter

5.1 Beleuchtungslichtleiter

5.2 Detektionslichtleiter 6 Grundkörper

7 Auskoppelbereich

8 Einkoppelbereich

9 Probenort

10 Empfänger 1 1 Stecker

BS Beleuchtungsstrahlung

DS Detektionsstrahlung

Claims

Patentansprüche

1 . Vorrichtung (1 ) zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur, aufweisend

- eine Lichtquelle (2) zur Bereitstellung einer Beleuchtungsstrahlung (BS) mindestens einer Wellenlänge;

- eine Mehrzahl optischer Lichtleiter (5) als Beleuchtungslichtleiter (5.1 ) zum Führen der Beleuchtungsstrahlung (BS) mittels Totalreflexion zu einem Probenort (9); mindestens einen optischen Detektionslichtleiter (5.2) zum Führen einer an dem Probenort (9) emittierten Detektionsstrahlung (DS) mittels Totalreflexion; und

- einen Detektor (3) zur Erfassung der Detektionsstrahlung (DS); dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungslichtleiter (5.1 ) jeweils einen, innerhalb eines Abschnitts der Länge des jeweiligen Beleuchtungslichtleiters (5.1 ) ausgedehnten, Auskoppelbereich (7) aufweisen, über den die Beleuchtungsstrahlung (BS) zumindest teilweise aus dem Beleuchtungslichtleiter (5.1 ) ausgekoppelt und diffus an den Probenort (9) abgegeben werden kann.

2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Beleuchtungslichtleiter (5.1 ) innerhalb des Auskoppelbereichs (7) eine Modifikation ihres Querschnitts und/oder ihrer Ummantelung aufweisen, wodurch die Totalreflektion dort wenigstens teilweise aufgehoben ist.

3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiter (5) über die Länge des Auskoppelbereichs (7) eine flächige oder eine räumliche Struktur bilden.

4. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiter (5) nach der flächigen oder räumlichen Struktur als Detektionslichtleiter (5.2) weitergeführt sind.

5. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Anzahl der Lichtleiter (5) je einen Einkoppelbereich (8) aufweisen, entlang dem Detektionsstrahlung (DS) von dem Probenort (9) in den jeweiligen Lichtleiter (5) eingekoppelt werden kann.

6. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelbereich (8) durch eine Sammeloptik, durch ein optisches Gitter und/oder durch eine Modifikation des Querschnitts der Lichtleiters (5) gebildet ist.

7. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkoppelbereich (8) gleich dem Auskoppelbereich (7) ist.

8. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Lichtleiter (5) ohne Auskoppelbereich (7) und Einkoppelbereich (8) angeordnet ist und als Referenzleiter dient.

9. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiespeicher (4) zur Versorgung der Lichtquelle (2) und/oder des Detektors (3) mit elektrischer Energie vorhanden ist, wobei der Energiespeicher (4) kontaktlos aufgeladen werden kann.

10. Verwendung einer Vorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Implantat.

1 1 . Verwendung einer Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 0 in einem Verfahren zur Detektion von Entzündungsreaktionen von postoperativen Gewebestrukturen nach dem Einbringen von Implantaten in den menschlichen oder tierischen Körper.

1 2. Verwendung einer Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 0 in einem Verfahren zur Überwachung von Operationsfeldern, insbesondere von Resektionshöhlen menschlicher oder tierischer Körper.

1 3. Verfahren zur optischen Erfassung von Daten einer biologischen Struktur, umfassend die Schritte:

Bereitstellen einer Beleuchtungsstrahlung (BS) mindestens einer Wellenlänge;

Führen der Beleuchtungsstrahlung (BS) mittels eines Bündels von als Beleuchtungslichtleiter (5,1 ) dienenden Lichtleitern (5) zu einem Probenort (9);

- Abgeben der Beleuchtungsstrahlung (BS) entlang eines Auskoppelbereichs (7) des Beleuchtungslichtleiters (5.1 ) an den Probenort (9), wobei die Beleuchtung ungerichtet erfolgt;

Erfassen einer durch Wirkung der Beleuchtungsstrahlung (BS) hervorgerufenen Detektionsstrahlung (DS), indem diese an einem Einkoppelbereich (8) in den jeweiligen Lichtleiter (5) eingekoppelt und als Detektionsstrahlung (DS) einem Detektor (3) zugeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsstrahlung (DS) hinsichtlich ihrer spektralen Zusammensetzung und/oder der erfassten Intensitäten ausgewählter Wellenlängen ausgewertet wird, wobei das Auftreten mindestens einer ausgewählten Wellenlänge der Detektionsstrahlung (DS) und/oder das Erreichen eines Schwellwertes einer ausgewählten Wellenlänge registriert wird.