Optical fluorescence and X-ray fluorescence endoscopic imaging – Comparison and basic investigations

In the field of minimal invasive medicine, endoscopic imaging is an essential feature of diagnostics and process controls. For minimal invasive procedures (in addition to normal visus) it often is important to record elements of the so-called functional imaging. Recent developments in the technology of capillary-fiber optics suitable for X-rays in the range of approximately 4–10 keV point to the possible realization of endoscopes applicable in X-ray fluorescence (XRF) analysis. A general problem is the determination of scattering and absorption processes with consideration to tissue optics, X-ray scattering and X-ray absorption in a diagnostic partial volume. Therefore comparative investigations were performed in order to answer these questions. Zinc-oxide nanoparticles configured as single particles and ZnO clusters provided the fluorescence source in cell layers. An artificial scattering material was employed, which closely approximated the tissue optical conditions and the X-ray optical application conditions in possible diagnostic situations. As a result, imaging of spatially resolved X-ray contrasts was better than adequate optical fluorescence imaging by approximately one magnitude. Hence, a very important precondition for realizing X-ray fluorescence endoscopy is fulfilled.

ZusammenfassungIm Bereich der minimal-invasiven Medizin nimmt die endoskopische Bildgebung einen essentiellen Stellenwert in der Diagnostik und Prozesskontrolle ein. Für minimal-invasive Anwendungen (zusätzlich zum normalen Visus) ist es häufig wichtig, Elemente des sogenannten Functional Imaging aufzuzeichnen. Die aktuellen Entwicklungen in der Technologie der Kapillarfaseroptiken für Röntgenstrahlungen im Bereich zwischen ca. 4–10 keV zeigen Möglichkeiten zur Realisierung von Endoskopen für die Röntgenfluoreszenzanalyse. Eine grundsätzliche Fragestellung besteht in der Bestimmung der Streu- und Absorptionsprozesse unter Berücksichtigung der Gewebeoptik, der Röntgenstreuung und der Absorption von Röntgenstrahlung im diagnostischen Partialvolumen. Deshalb wurden vergleichende Untersuchungen zur Beantwortung dieser Fragen durchgeführt. Als Fluoreszenzquelle kamen in Verbindung mit Zellschichten Zinkoxid-Nanopartikel konfiguriert als Einzelpartikel und ZnO-Cluster zur Anwendung. Weiterhin wurden artifizielle Streuschichten eingesetzt, die in guter Näherung den gewebeoptischen Bedingungen bzw. den röntgenoptischen Einsatzbedingungen in möglichen diagnostischen Situationen entsprachen. Im Ergebnis war die Darstellung der ortsaufgelösten Röntgenfluoreszenzkontraste um etwa eine Größenordnung besser als die adäquaten optischen Fluoreszenzabbildungen. Somit ist eine wichtige Bedingung für eine Realisierung der Röntgenfluoreszenzendoskopie erfüllt.

SumarioEn el sector de la medicina minimamente-invasiva, las imágenes endoscópicas tienen un valor esencial en el diagnóstico y en el control de los procesos. Para aplicaciones minimamente -invasivas (en adición al visus normal) es frecuentemente necesario grabar elementos del denominado Functional Imaging. El desarrollo actual de la tecnología de la óptica de fibra capilar para rayos X entre aproximadamente 4–10 keV ofrece posibilidades para la realización de endoscopios aplicados en el análisis por fluorescencia de rayos X. Un planteamiento general es la determinación de los procesos de dispersión y absorción teniendo en cuenta la óptica del tejido, la dispersión de los rayos X y la absorción de los rayos X en el volumen parcial diagnóstico. Para contestar estas cuestiones, se llevaron a cabo investigaciones comparativas. Nano-partículas de óxido de zinc configuradas como partículas individuales y agrupaciones de ZnO constituyeron la fuente de fluorescencia en capas celulares. Además se usaron capas de dispersión artificiales que correspondían a las condiciones ópticas del tejido y a las condiciones de aplicación roentgenológica-óptica en situaciones diagnósticas posibles. El resultado fue la representación de las imágenes de los contrastes roentgenofluorescentes espacialmente resueltos que sobrepasaron las adecuadas imágenes fluorescentes ópticas. De esta manera, se cumple con una condición importante para una realización de la endoscopía de la roentgenofluorescencia.