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Dokumentenidentifikation DE102005013044B4 09.08.2007
Titel Fluoreszenz-Scanner
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Eustergerling, Norbert, 91058 Erlangen, DE;
Medlar, Donal, 91085 Weisendorf, DE;
Pritsching, Volker, 91056 Erlangen, DE;
Strob, Wolfgang, 91052 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 18.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005013044
Offenlegungstag 28.09.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.08.2007
IPC-Hauptklasse G01N 21/64(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse A61B 1/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   A61B 1/05(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Fluoreszenz-Scanner mit einem Bildsensor.

Vorrichtungen zur Fluoreszenz-Erfassung, nachfolgend auch als Fluoreszenz-Scanner bezeichnet, können eingesetzt werden, um verschiedenste molekulare Faktoren zu detektieren. Substanzen mit unterschiedlichen molekularen Eigenschaften können nämlich unterschiedliche Fluoreszenz-Eigenschaften aufweisen, die gezielt detektiert werden können. Die Fluoreszenz-Erfassung ist optisch basiert und damit nicht bzw. nur minimalst invasiv. Sie erlaubt bei Kenntnis der jeweiligen Fluoreszenz-Eigenschaften die Ermittlung der molekularen Beschaffenheit eines jeweiligen untersuchten Stoffes.

In der Medizin geben molekulare Eigenschaften, z.B. als "molekulare Signatur" bezeichnet, Aufschluss über den gesundheitlichen Zustand eines Lebewesens oder Patienten und können daher diagnostisch ausgewertet werden. Molekulare Signaturen können insbesondere zur Erkennung von Krebs herangezogen werden. Auch andere Krankheitsbilder wie z.B. Rheumatoide Arthritis oder Arteriosklerose der Karotis-Arterie können so identifiziert werden.

Zur Fluoreszenz-Detektion ist es grundsätzlich erforderlich, die Fluoreszenz anzuregen, was in einfacher Weise durch optische Anregung erfolgen kann. Das Anregungs-Licht kann dabei z.B. im Infrarot-Bereich (IR) oder im nahen Infrarot-Bereich (NIR) liegen. Welcher Frequenz-Bereich geeignet ist, hängt nicht zuletzt auch von der zu untersuchenden Substanz ab. Substanzen, die selbst keine molekularen bzw. chemischen Eigenschaften aufweisen, die für die Fluoreszenz-Detektion geeignet wären, können in geeigneter Weise molekular "markiert" werden. Z.B. können Marker verwendet werden, die sich bei entsprechender Präparation nur an ganz spezielle Moleküle binden oder anlagern. Eine derartige Markierung funktioniert demnach also nach einem Mechanismus, der bildlich als Schlüssel-Schloss-Mechanismus aufgefasst werden kann. Marker und nachzuweisendes Molekül passen wie Schlüssel und Schloss zueinander, während der Marker an sonstigen Substanzen nicht bindet. Weist der Marker bekannte Fluoreszenz-Eigenschaften auf, so kann er nach dem Binden oder Anlagern optisch detektiert werden. Die Detektion des Markers lässt dann auf das Vorhandensein der markierten speziellen Substanz schließen. Zur Detektion wird also lediglich ein Detektor benötigt, der Licht in derjenigen Wellenlänge zu detektieren vermag, die die fragliche Substanz oder eben der verwendete Marker bei Anregung abstrahlt.

Als Anwendung solcher Fluoreszenzmethoden bieten sich primär Untersuchungen oberflächennaher Gebiete bzw. Untersuchungen am geöffneten Körper (intraoperative Anwendungen) an. Beispiele für solche Untersuchungen wären die Erkennung von fluoreszent markiertem Hautkrebs oder die Erkennung von Tumorgrenzen bei der Resektion von fluoreszent markierten Tumoren. Z.B. hat die Firma NOVADAQ ein System entwickelt, um intraoperativ Koronararterien und die Funktion (d.h. den Durchfluss) von Bypässen sichtbar zu machen.

Ein Forschungsgegenstand der Biotechnologie sind fluoreszierende metabolische Marker, die sich entweder ausschließlich in bestimmten Regionen (z.b. Tumoren, Entzündungen oder anderen bestimmten Krankheitsherden) anreichern, oder zwar überall im Körper verteilt sind, aber nur speziell in bestimmten Regionen, z.B. durch tumorspezifische Enzymaktiviiäten (und z.B. durch zusätzliche Bestrahlung durch Licht), aktiviert werden.

In der medizinischen Diagnose sind als Marker-Substanzen so genannte Fluorophore bekannt, z.B. Indocianingrün (ICG), die z.B. an Gefäße binden und optisch nachweisbar sind, so dass in einem bildgebenden Verfahren der Kontrast, mit dem Gefäße dargestellt werden, erhöht werden kann. Daneben gewinnen so genannte "smart contrast agents" zunehmend an Bedeutung. Dies sind aktivierbare Fluoreszenz-Marker, die z.B. an Tumor-Gewebe binden und deren fluoreszierende Eigenschaften durch das Binden an den zu markierenden Stoff erst aktiviert werden. Derartige Substanzen können aus selbst-gehemmten (selfquenched) Färbemitteln, z.B. Cy5.5, bestehen, die an größere Moleküle über spezifische Peptide gebunden werden. Die Peptide wiederum können durch spezifische Proteasen, die z.B. in Tumoren produziert werden, erkannt und aufgespalten werden. Durch das Aufspalten werden die Fluorophore freigesetzt und sind nicht mehr selbst-gehemmt sondern entwickeln ihre fluoreszierenden Eigenschaften. Die freigesetzten Fluorophore können z.B. im nahen IR-Wellenlängenbereich um 740 nm aktiviert werden. Ein Beispiel für einen Marker auf dieser Basis ist AF 750 (Alexa Fluor 750) mit einem definierten Absorptions- und Emissions-Spektrum im Wellenlängen-Bereich von 750 nm (Anregung) bzw. 780 nm (Emission).

In der medizinischen Diagnose können derartige aktivierbare Marker z.B. zur intraoperativen Detektion von Tumor-Gewebe eingesetzt werden, um das erkrankte Gewebe exakt identifizieren und dann entfernen zu können. Eine typische Anwendung ist die chirurgische Behandlung von Eierstock-Krebs. Dabei wird das erkrankte Gewebe typischerweise chirurgisch entfernt und anschließend chemotherapiert. Durch die erhöhte Sensitivität einer Fluoreszenz-Detektion könnte das erkrankte Gewebe einschließlich verschiedentlicher umliegender Krankheitsherde besser erkannt und dadurch vollständiger entfernt werden.

In der Brustkrebs-Therapie sind typische operative Behandlungen Lumpektomien (oder Mastektomien) und Lymphknoten-Sektionen und Lymphknoten-Entnahmen. Lymphknoten werden typischerweise durch 99mTc Schwefelkolloide in Verbindung mit niedermolekularem Methylenblau optisch erkannt. Die radioaktiven mTc Schwefelkolloide könnten durch Einsatz der Fluoreszenz-Detektion vermieden werden, mit entsprechend positiven Auswirkungen auf die Gesundheit der Patientinnen.

Bei der Entfernung von Gehirn-Tumoren ist die präzise Eingrenzung des Tumorgewebes, die durch Einsatz von Fluoreszenz-Detektion erreichbar ist, von offensichtlicher Wichtigkeit. Die Behandlung von Pankreas-Tumoren könnte von zusätzlichen Lymphknoten-Entnahmen, die durch Fluoreszenz-Detektion zu identifizieren wären, im Hinblick auf eventuellen Darm-Krebs profitieren. Bei der Behandlung von Hautkrebs könnte durch Fluoreszenz-Detektion die Erkennung von Haut-Neoplasmen verbessert werden. Die Behandlung rheumatoider arthritischer Gelenks-Erkrankungen könnte das Medikamenten-Monitoring dahingehend verbessert werden, dass das Ausmaß der Protease-Überproduktion quantitativ detektiert werden und die als Gegenmittel vorgesehene Medikamentierung quantitativ angepasst werden könnte.

Bei der Behandlung der beispielhaft genannten Erkrankungen sowie weiterer Krankheitsbilder wird typischerweise eine Operation durchgeführt, bei der erkranktes Gewebe chirurgisch entfernt wird. Zur Unterstützung der Operation kann eine Fluoreszenz-Detektion durchgeführt werden, die die Erkennung der zu entfernenden erkrankten Gewebe-Teile während laufender Operation, also gegebenenfalls an der geöffneten Wunde, verbessern soll. Dazu müssen die Gewebeteile vor der Operation mit einer geeigneten Substanz markiert werden, die dann durch Anbindung an die erkrankten Gewebeteile aktiviert wird. Eine Vorrichtung zur Fluoreszenz-Detektion sollte daher für den Operateur gut handhabbar und im sterilen OP-Bereich einsetzbar sein.

Die Erkennung einer auf diese Weise fluoreszent markierten Region geschieht über Bestrahlung der Region mit Licht in der speziellen Anregungswellenlänge des Fluoreszenzfarbstoffes und Detektion des emittierten Lichtes in der entsprechenden Emissionswellenlänge des Fluorophors. Ein Fluoreszenz-Scan wird erstellt, in dem ein Fluoreszenz-Bild auf Basis von Fluoreszenz-Licht aufgenommen wird und ein optisches Bild auf Basis sichtbaren Lichts. Anschließend werden optisches und Fluoreszenz-Bild überlagert, um die Fluoreszenz im Kontext des optischen Bildes darzustellen. Anhand der überlagerten Darstellung (Fusion) von optischem und Fluoreszenz-Bild auf einer Anzeige-Vorrichtung kann der Operateur das Tumor-Gewebe erkennen und am tatsächlichen Patientenkörper lokalisieren. Das fusionierte Bild mit dem fluoreszent markierten Gewebe wird auf einem kleinen Bildschirm auf dem Fluoreszenz-Scanner dargestellt oder auf einem externen Rechner mit Bildverarbeitungssoftware.

Üblicherweise erfolgt die Anregung der Fluoresezenz der Marker durch Licht und die Detektions-Vorrichtung muss eine Lichtquelle ausreichender Stärke aufweisen, um das zu untersuchende Gewebe bis zu einer Tiefe von 0,5 bis 1 cm zu durchdringen. Zusätzlich ist ein optischer Detektor erforderlich, der zum einen das Fluoreszenz-Licht zu detektieren vermag, und der zum anderen, falls das Fluoreszenz-Licht nicht im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt, auch ein Bild im sichtbaren Wellenlängenbereich aufzunehmen vermag.

Im Stand der Technik sind Fluoreszenz-Scanner bekannt, die zur Aufnahme sowohl eines optischen als auch eines Fluoreszenz-Bildes einen Strahlteiler verwenden. Der Strahlteiler teilt den vom zu untersuchenden Objekt oder Körper kommenden Lichtstrahl in einen Strahl auf, dessen Spektrum im IR oder NIR Bereich der Fluoreszenz liegt, sowie in einen Strahl im sichtbaren Wellenlängenbereich. Der IR- oder NIR-Strahl wird auf einen eigens dafür vorgesehenen Bildsensor geleitet, der sichtbare Strahl auf einen seinerseits geeigneten Bildsensor. Die beiden Bildsensoren nehmen getrennt voneinander gleichzeitig ein Bild auf. Damit stehen Fluoreszenz- und optisches Bild zur Verfügung und können einander überlagert werden.

Nachteilig ist daran, dass zwei Bildsensoren erforderlich sind, und dass der Aufbau relativ voluminös ist.

Ebenfalls bekannt sind Fluoreszenz-Scanner, bei denen ein Filterwechsler im Strahlengang vor dem Bildsensor angeordnet ist. Der Filterwechsler wechselt für die Aufnahme von Fluoreszenz-Bildern sowie für die Aufnahme von optischen Bildern jeweils einen eigenen Filter ein. Zumindest für die Aufnahme von Fluoreszenz-Bildern muss ein Filter eingewechselt werden, der Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich herausfiltert, weil sonst das Fluoreszenz-Licht überstrahlt würde. Nachteilig ist daran, dass der Filterwechsler mechanisch aufwändig ist und ebenfalls einen voluminösen Aufbau mit sich bringt. Zudem müssen optisches und Fluoreszenz-Bild nacheinander aufgenommen werden, was Aufnahmezeit kostet und Bildartefakten durch Bewegung des Scanners Vorschub leistet.

Aus der US 4951133 A, EP 1374755 A1 sowie der US 22050027166 A1 sind Endoskopie-Systeme teilweise zur Fluoreszenz-Spektroskopie beschrieben, bei denen das Gewebe mit lichtunterschiedlichen Wellenlängen bestrahlt wird. Hierzu wird ein motorisch angetriebener Filterwechsler eingesetzt. Aus der US 4951133 A ist hierbei für die Aufnahme der Bildinformationen die Verwendung einer CCD-Kamera mit einem Mosaikfilter zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fluoreszenz-Scanner anzugeben, der mechanisch unaufwändig und klein ist, minimale Aufnahmezeiten gewährleistet und sowohl zur Aufnahme von optischen Bildern als auch zur Aufnahme von Fluoreszenz-Bildern ausgebildet ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Fluoreszenz-Scanner mit den Merkmalen des 1. Anspruchs.

Nach einem Grundgedanken der Erfindung umfasst der Bildsensor einen Bilddetektor und eine Filterschicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht aus zumindest zwei verschiedenen Flächenabschnitten besteht, dass die verschiedenen Flächenabschnitte zumindest zweierlei unterschiedliche Filtereigenschaften aufweisen, und dass wenigstens ein Flächenabschnitt dazu ausgebildet ist, Fluoreszenz-Licht passieren zu lassen und zumindest sichtbares Licht herauszufiltern, und wenigstens ein Flächenabschnitt dazu, sichtbares Licht passieren zu lassen. Dadurch ist der Bildsensor dazu geeignet, ein optisches und ein Fluoreszenz-Bild gleichzeitig aufzunehmen, wobei jedes der beiden Bilder eine entsprechend reduzierte Auflösung aufweist. Diese ist aber immer noch ausreichend hoch, um für einen Betrachter gut erkennbar zu sein. Der Bildsensor kann z.B. als CCD-Kamera und der Bilddetektor als CCD-Chip ausgeführt, es sind jedoch auch andere Bildaufnahme-Technologien einsetzbar.

Weiterhin sind Flächenabschnitte, die sichtbares Licht passieren lassen, dazu ausgebildet, Fluoreszenz-Licht zumindest zu dämpfen. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das optische Bild selbst durch Fluoreszenz-Licht eingefärbt oder verfälscht wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind Flächenabschnitte, die Fluoreszenz-Licht passieren lassen und sichtbares Licht herausfiltern, und Flächenabschnitte, die sichtbares Licht passieren lassen, abwechselnd angeordnet. Damit ergibt sich für jedes der beiden Einzel-Bilder eine ausreichende Auflösung und Bildabdeckung.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung entsprechen die Abmessungen der Flächenabschnitte den Abmessungen von Pixeln des Bilddetektors und sind deckungsgleich zu diesen angeordnet. Dadurch ergibt sich eine optimale Auflösung beider Einzelbilder, weil keine Überblend-Effekte an sich gegenseitig überschneidenden Flächenabschnitts- und Pixel-Grenzen auftreten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Filterschicht auf einer Trägerschicht angeordnet, die wiederum auf dem Bilddetektor angeordnet ist. Dadurch kann ein für die Strukturierung der Filterschicht optimales Herstellungsverfahren gewählt werden, z.B. Photolithografie, und es braucht dabei nicht auf die Eigenschaften des eventuell empfindlichen Bilddetektors Rücksicht genommen werden. Außerdem kann die Trägerschicht je nach dem auch als Haftvermittlungsschicht zur Verbesserung der Schichthaftung der Filterschicht dienen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand von Figuren. Es zeigen:

1 Anwendungs-Szenario eines Fluoreszenz-Scanners,

2 perspektivische Darstellung eines Fluoreszenz-Scanners mit geöffnetem Gehäuse,

3 schematische Draufsicht eines Bildsensors,

4 schematische, perspektivische Ansicht eines Bildsensors,

5 schematische, perspektivische Ansicht eines Bildsensors mit Trägerschicht und

6 schematische, perspektivische Draufsicht einer weiteren Ausführung eines Bildsensors.

1 ist ein Anwendungs-Szenario eines Fluoreszenz-Scanners 1 schematisch dargestellt. Ein zu untersuchender Patient 4 liegt, abgedeckt durch ein OP-Tuch 7, auf einem OP-Tisch 5. Ein Operateur 3 behandelt eine Körperregion des Patienten 4 durch eine Öffnung des OP-Tuchs 7 hindurch. Der Operateur 3 hält in seiner Hand einen Fluoreszenz-Scanner 1, mit dem er die zu behandelnde Körperregion untersuchen kann.

Im mittleren Teil der Abbildung ist die zu untersuchende Körperregion 8 des Patienten 4 in schematischer Ansicht vergrößert dargestellt. Der Patient 4 ist durch das OP-Tuch 7 abgedeckt bis auf eine Öffnung im OP-Tuch 7 über der zu untersuchenden Körperregion 8. Der Operateur 3 richtet den Fluoreszenz-Scanner 1 zentral auf die durch die Öffnung durch sichtbare und erreichbare Körperregion 8.

Durch den Fluoreszenz-Scanner 1 erfasste Daten werden kabellos, wie in der Abbildung grafisch angedeutet, an einen PC-Arbeitsplatz 9 übermittelt. Der PC-Arbeitsplatz 9 stellt die empfangenen Daten, bei denen es sich um Bilddaten der zu untersuchenden Körperregion 8 handelt auf einen Bildschirm dar. Der Operateur 3 kann den Fluoreszenz-Scan auf dem Bildschirm des PC-Arbeitsplatzes 9 ansehen, und hat so das Ergebnis des Scans unmittelbar vor Augen. Gegebenenfalls kann er seine Operations-Strategie oder -Planung nach dem Fluoreszenz-Scan ausrichten.

Um sich auf dem abgebildeten Bild orientieren zu können, wird die optische Darstellung des Fluoreszenz-Scans überlagert mit einer Darstellung desselben Sichtbereichs bzw. derselben Körperregion 8 als normales Bild im sichtbaren Wellenlängenbereich. Anhand des Bildes im sichtbaren Wellenlängenbereich kann der Arzt Details der Körperregion 8 auf dem Bildschirm wieder erkennen, und anhand des überlagerten Fluoreszenz-Scans kann er das Ergebnis des Scans den tatsächlich sichtbaren Stellen der Körperregion 8 zuordnen. Die Überlagerung einer im sichtbaren Wellenlängenbereich aufgenommenen Abbildung ist insbesondere erforderlich, wenn die Fluoreszenz in einem nicht-sichtbaren Wellenlängenbereich, z.B. IR liegt.

In 2 ist ein Fluoreszenz-Scanner 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Um Einsicht in den Aufbau zu gewähren ist dabei die obere Abdeckung des Gehäuses weggelassen. Der Fluoreszenz-Scanner 1 weist einen Handgriff 16 auf, um vom Operateur gehandhabt werden zu können. Am Handgriff 16 ist eine Taste 17 angeordnet, mit der der Arzt manuell einen Fluoreszenz-Scan auslösen kann.

Im Frontbereich sind Anregungs-Lichtquellen 11, 11', 11'', 11''' so angeordnet, dass sie einen Bereich im Abstand von ungefähr 6 bis 10 cm Abstand ausleuchten können. Sie sind dazu in einem Winkel von etwa 45° zur Frontplatte angeordnet. Durch diese Anordnung ergibt sich zum einen ein optimaler Arbeits-Abstand, der sich daraus ergibt, dass einerseits die Scan-Region nicht berührt werden sollte, und andererseits ein zu großer Abstand eine zu hohe Anregungs-Licht-Intensität erforderlich machen würde.

Die Anregungs-Lichtquellen 11, 11', 11'', 11''' können auf Halogen-Leuchtmitteln basieren, vorzugsweise jedoch auf LEDs (light emitting diode). Da eine einzelne LED eine verhältnismäßig geringe Leuchtintensität aufweist, werden für jede Lichtquelle LED-Arrays von größenordnungsmäßig 60 LEDs verwendet. Jedes der insgesamt vier LED-Arrays weist eine Gesamt-Lichtleistung von etwa 0,25 bis 1 Watt auf.

Frontal auf die ausgeleuchtete Region gerichtet befindet sich eine Linse 12, durch die Fluoreszenz-Licht ebenso wie normales Licht und Umgebungslicht in den Fluoreszenz-Scanner 1 gelangt. Nach Durchlaufen der Linse passiert das eintretende Licht einen Filter 13, der für den Fluoreszenz-Scan nicht benötigte Störlicht-Anteile herausfiltert. Licht, das den Filter 13 passiert hat, gelangt zu einer CCD-Kamera 15. Die CCD-Kamera 15 ist in der Lage, Bilder sowohl im Wellenlängenbereich sichtbaren Lichts als auch im Wellenlängenbereich der Fluoreszenz aufzunehmen; sie wird im folgenden näher beschrieben. Die durch die CCD-Kamera 15 aufgenommenen Bilddaten werden von einer Datenerfassungseinheit 14 empfangen und durch diese kabellos nach außen übermittelt.

In 3 ist ein Bildsensor in schematischer Draufsicht dargestellt, wie er in dem vorangehend beschriebenen Fluoreszenz-Scanner 1 verwendet werden kann. Die dargestellte Oberfläche des Bildsensors ist in eine Vielzahl etwa quadratischer Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... aufgeteilt, die eine Filterschicht 51 bilden. Jeweils benachbart angeordnete Flächenabschnitte Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... haben zweierlei verschiedene Filtereigenschaften.

Zum ersten sind die Flächenabschnitte 53, 53', 53'' ... dazu vorgesehen, Licht im IR- oder NIR-Wellenlängenbereich passieren zu lassen. Sie sind daher in der Abbildung mit "IR" gekennzeichnet. Die Filtercharakteristik der Flächenabschnitte 53, 53', 53'' ... lässt Licht im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts nicht passieren, da ansonsten das IR- oder NIR-Fluoreszenz-Licht überstrahlt würde. Je nach Aufnahme-Spektrum des darunter liegenden, in 3 nicht näher dargestellten, Bilddetektors, können neben sichtbarem Licht auch andere Wellenlängen, von denen Stör-Einflüsse erwartet werden, herausgefiltert werden. Die Flächenabschnitte 53, 53', 53'' ... dienen dazu, Fluoreszenz-Bilder aufzunehmen.

Zum zweiten sind die Flächenabschnitte 54, 54', 54'' ... dazu vorgesehen, Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich passieren zu lassen. Entsprechend üblicher Darstellungsweisen für Farbskalen kann sichtbares Licht als zusammengesetzt aus roten (R), gelben (G) und blauen (B) Anteilen aufgefasst werden und die Flächenabschnitte sind daher in der Abbildung mit "RGB" bezeichnet. Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass die RGB-Flächenabschnitte 54, 54', 54'' ... durch Ausnehmungen aus der Filterschicht 51 gebildet werden; das Vorhandensein keines Filtermaterials genügt der Anforderung, das sichtbares Licht passieren können muss. In einer weiteren Ausführungsvariante werden sie durch ein Material gebildet, das im wesentlichen keine Filterung bewirkt. In noch einer weiteren Ausführungsvariante werden sie durch ein Material gebildet, dessen Filter-Charakteristik so gestaltet ist, dass sie Licht im IR- oder NIR-Bereich herausfiltern. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass das passierende sichtbare Licht durch Fluoreszenz-Licht eingefärbt oder im Spektrum verfälscht wird. Die Flächenabschnitte 54, 54', 54'' ... dienen dazu, optische Bilder aufzunehmen.

Es ist ersichtlich, dass mit dem in 3 dargestellten und vorangehend erläuterten Bildsensor gleichzeitig ein optisches und ein Fluoreszenz-Bild aufgenommen werden kann, und zwar jeweils mit halber Auflösung, gemessen an der höchstmöglichen Auflösung der gesamten Anordnung.

In 4 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Bildsensors zur Verwendung in dem vorangehend beschriebenen Fluoreszenz-Scanner 1 dargestellt. Der Bildsensor ist als CCD-Element 57 ausgeführt. Es besteht aus einem CCD-Chip 55, auf den eine Filterschicht 51 aufgebracht ist, die sich aus einer Vielzahl etwa quadratischer Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... zusammensetzt. Wie vorangehend beschrieben haben jeweils benachbarte Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... jeweils entweder eine IR- oder eine RGB-Filtercharakteristik. In der gewählten Darstellung ist der Bildsensor so einzusetzen, dass Licht, das zur Erzeugung eines Fluoreszenz-Scans aufgenommen werden soll, von oben kommt, zunächst die Filterschicht 51 passiert und anschließend durch den CCD-Chip 55 detektiert wird.

Es ist ersichtlich, dass jeweils benachbarte Bereiche des CCD-Chips 55, die unter benachbarten Flächenabschnitten Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... der Filterschicht 51 liegen, entweder von IR- bzw. NIR-Licht oder von sichtbarem Licht erreicht werden. Ein geeignetes optisches Detektions-Spektrum des CCD-Chips 55 wird dabei vorausgesetzt. Damit nehmen benachbarte Bereiche also jeweils Teile eines optischen oder eines Fluoreszenz-Bildes auf. Auf Streu- und Überblendeffekte soll der Vereinfachung halber nicht eingegangen werden. Die benachbarten Bereiche des CCD-Chips 55 können dabei jeweils mehrere CCD-Pixel umfassen, sie können aber auch jeweils durch einzelne CCD-Pixel gebildet sein.

Wieviele CCD-Pixel jeweils umfasst sind hängt von den Abmessungen der Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... in der Filterschicht 51 ab. Diese müssen ausreichend klein sein, um eine gewünschte Auflösung des Fluoreszenz-Scans zu gewährleisten. Andererseits werden Minimal-Grenzen für die Abmessungen zumindest durch das Strukturierungsverfahren vorgegeben. Vorteilhafterweise können besonders kleine Abmessungen durch ein fotolithografisches Strukturierungs-Verfahren erreicht werden. Nicht zuletzt ist zu beachten, dass bei kleineren Abmessungen der Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... höhere Anforderungen an die Deckungsgleichheit zu stellen sind, mit der Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... jeweils über den Pixeln des CCD-Chips 55 angeordnet sind. Es ist ersichtlich, dass bei besonders kleinen Abmessungen Überblendeffekte in besonders störendem Maße auftreten, falls die Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... unerwünschter Weise nicht exakt über den CCD-Pixeln liegen.

Um anhand der mit dem vorangehend beschriebenen Bildsensor aufgenommenen Bildinformationen entweder ein optisches oder ein Fluoreszenz-Bild zu erzeugen, müssen lediglich noch entweder die RGB-Pixelbereiche oder die IR-Pixelbereiche getrennt aus dem CCD-Chip 55 ausgelesen werden. Soll ein Fluoreszenz-Scan derart erfolgen, dass eine überlagerte Darstellung von optischem und Fluoreszenz-Bild erzeugt wird, bedarf es keines getrennten Auslesens einzelnder Pixel. Das Auslesen der Gesamtheit der CCD-Pixel führt aufgrund der gewählten Anordnung automatisch zur gewünschten überlagerten Darstellung (Fusion). Damit ist es also möglich, mit einem einzigen Aufnahmeschritt, z.B. durch Auslösen per Taste 17 am Fluoreszenz-Scanner 1 wie weiter oben erläutert, einen vollständigen Fluoreszenz-Scan zu erzeugen.

In 5 ist eine schematische, perspektivische Ansicht eines Bildsensors zur Verwendung in dem vorangehend beschriebenen Fluoreszenz-Scanner 1 mit Trägerschicht 56 dargestellt. Dabei ist die Filterschicht 51 wie vorangehend beschrieben aus IR- und RGB-Flächenabschnitten 53, 54, 53', 54' ... zusammengesetzt. Sie ist unmittelbar auf die Trägerschicht 56 aufgebracht, beispielsweise fotolithografisch. Die Trägerschicht 56 kann unter Gesichtspunkten der Schichthaftung der Filterschicht 51 optimiert sein. Außerdem bietet sie die Möglichkeit, beim Aufbringen der Filterschicht 51 solche Beschichtungsverfahren und Strukturierungsverfahren zu verwenden, die sich beim Aufbringen direkt auf den CCD-Chip 55 wegen dessen Eigenschaften verbieten würden.

Die Trägererschicht 56 wiederum kann entweder direkt auf den CCD-Chip 55 aufgebracht sein, z.B. durch ein Beschichtungsverfahren, oder sie kann eine eigenständig tragfähige Schicht darstellen, auf die zunächst die Filterschicht 51 aufgebracht und die anschließend auf dem CCD-Chip angeordnet wird. In einer Ausführungsvariante besteht die Trägerschicht 56 aus Glas, auf das zunächst die Filterschicht 51 aufgebracht und das anschließend mit dem CCD-Chip 55 durch einen optischen Klebstoff verklebt wird.

In 6 ist eine schematische, perspektivische Draufsicht einer weiteren Ausführung eines Bildsensors zur Verwendung in dem vorangehend beschriebenen Fluoreszenz-Scanner 1 dargestellt. Neben den IR-Flächenabschnitten 53, 53', 53'' ... und den RGB-Flächenabschnitten 54, 54', 54'' ... sind weitere Flächenabschnitte 59, 59', 59'' ... vorgesehen, die zusätzlich weitere Filtereigenschaften aufweisen können. Sie könnten beispielsweise der Realisierung eines weiteren Detektionsverfahrens dienen, oder sie könnten der Ergänzung der IR- oder RGB-Flächenabschnitte 53, 54, 53', 54' ... derart dienen, dass sich die unterschiedlichen Filtercharakteristika der verschiedenen Flächenabschnitte 53, 54, 59, 53', 54', 59' ... gegenseitig ergänzen.

Die vorangehend beschriebene Anordnung der unterschiedlichen Flächenabschnitte 53, 54, 59, 53', 54', 59' ... sowie deren Abmessungen sind nur beispielhaft zu verstehen und können je nach Bedarf variieren. So müssen keinesfalls quadratisch sein, sondern können auch andere Formen aufweisen. Außerdem müssen sie keinesfalls abwechselnd und damit in gleichen Anzahlen angeordnet sein, stattdessen sind auch Abfolgen denkbar, bei denen sich größere IR-Bereiche mit kleineren RGB-Bereichen abwechseln, um so der geringeren Intensität des IR-Lichts Rechnung zu tragen.

Die Erfindung lässt sich wie folgt zusammenfassen. Die Erfindung betrifft einen Bildsensor für einen Fluoreszenz-Scanner (1) zur Aufnahme sowohl von optischen als auch von Fluoreszenz-Bildern. Der Bildsensor umfasst einen Bild-Detektor und eine Filterschicht (51). Gemäß der Erfindung besteht die Filterschicht (51) aus zumindest zwei verschiedenen Flächenabschnitten (53, 54, 53', 54' ...), die zumindest zweierlei unterschiedliche Filtereigenschaften aufweisen. Dabei weist wenigstens ein Flächenabschnitt (53, 53' ...) hinsichtlich der Detektion von IR- oder NIR-Licht eine Filtercharakteristik derart auf, dass Fluoreszenz-Licht passieren kann und zumindest sichtbares Licht herausgefiltert wird. Wenigstens ein weiterer Flächenabschnitt (54, 54' ...) weist hinsichtlich der Detektion von sichtbarem Licht (entsprechend üblicher Farbskalen als RGB-Licht bezeichnet) eine Filtercharakteristik derart auf, dass sichtbares Licht passieren kann.


Anspruch[de]
Fluoreszenz-Scanner (1) mit einem Bildsensor zur Aufnahme sowohl von optischen als auch von Fluoreszenz-Bildern, der einen Bild-Detektor umfasst, und der eine Filterschicht (51) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (51) aus zumindest zwei verschiedenen Flächenabschnitten (53, 54, 53', 54' ...) besteht, dass die verschiedenen Flächenabschnitte (53, 54, 53', 54' ...) zumindest zweierlei unterschiedliche Filtereigenschaften aufweisen, dass wenigstens ein Flächenabschnitt (53, 53' ...) dazu ausgebildet ist, Fluoreszenz-Licht passieren zu lassen und zumindest sichtbares Licht herauszufiltern, und wenigstens ein Flächenabschnitt (54, 54' ...) dazu, sichtbares Licht passieren zu lassen, und dass Flächenabschnitte (54, 54' ...), die sichtbares Licht passieren lassen, dazu ausgebildet sind, Fluoreszenz-Licht zu dämpfen. Fluoreszenz-Scanner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Flächenabschnitte (53, 53' ...), die Fluoreszenz-Licht passieren lassen und sichtbares Licht herausfiltern, und Flächenabschnitte (54, 54' ...), die sichtbares Licht passieren lassen, abwechselnd angeordnet sind. Fluoreszenz-Scanner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Flächenabschnitte (53, 53' ...), die Fluoreszenz-Licht passieren lassen und sichtbares Licht herausfiltern, aus SiO2, TiO2, Ta2O5, HfO2 oder Al2O3 bestehen. Fluoreszenz-Scanner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (51) eine Schichtdicke im Nanometer-Bereich, vorzugsweise von einigen nm bis etwa 1 &mgr;m aufweisen. Fluoreszenz-Scanner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächenabschnitte (53, 54, 53', 54' ...) eine typische Abmessung von 1 &mgr;m aufweisen. Fluoreszenz-Scanner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen der Flächenabschnitte (53, 54, 53', 54' ...) den Abmessungen von Pixeln des Bild-Detektors entsprechen und dass die Flächenabschnitte (53, 54, 53', 54' ...) deckungsgleich zu Pixeln des Bild-Detektors angeordnet sind. Fluoreszenz-Scanner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bild-Detektor als CCD-Chip (55) ausgeführt ist. Fluoreszenz-Scanner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschicht (51) auf einer Trägerschicht (56) angeordnet ist, die wiederum auf dem Bild-Detektor angeordnet ist. Fluoreszenz-Scanner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (56) aus Glas besteht. Fluoreszenz-Scanner (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Betätigungstaste umfasst ist, durch deren Betätigung die Erzeugung von Anregungslicht und die gleichzeitige Aufnahme eines optischen und eines Fluoreszenz-Bildes durch den Bildsensor ausgelöst wird.






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