DE102014107342B4

DE102014107342B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erkennung von Krebstumoren und anderen Gewebeveränderungen

Info

Publication number: DE102014107342B4
Application number: DE102014107342.8A
Authority: DE
Inventors: Matthias Rädle; Norbert Gretz; Frank Braun
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-24
Filing date: 2014-05-24
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2034-05-25
Also published as: DE102014107342A1

Abstract

Verfahren zum spektralen Analysieren einer Probe (100) mit den Schritten:Ansetzen einer Kanüle (20) an die Probe (100), wobei die Kanüle zumindest einen ersten Lichtwellenleiter (34) und einen zweiten Lichtwellenleiter (36) umfasst,während die Kanüle (20) an die Probe (100) angesetzt ist:Erzeugen eines ersten Lichtpulses und Leiten desersten Lichtpulses durch den ersten Lichtwellenleiter,Bestrahlen der Probe (100) mit dem ersten Lichtpuls durch die Kanüle (20),Auslesen der Spektralantwort des ersten Lichtpulses,Erzeugen eines zweiten von dem ersten Lichtpuls verschiedenartigen Lichtpulses und Leiten deszweiten Lichtpulses durch den zweiten Lichtwellenleiter, wobei der zweite Lichtpuls ein einen Ramanlichtpuls der Probe anregender Lichtpuls ist,Bestrahlen der Probe mit dem zweiten Lichtpuls durch die Kanüle (20),Auslesen der Spektralantwort des zweiten Lichtpulses,Absetzen der Kanüle (20) von der Probe.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum spektralen Analysieren einer Probe.
Hintergrund der Erfindung
Der Gesundheitsmarkt ist im heutigen Zeitalter einer der wichtigsten und ertragsreichsten Märkte weltweit. Die Entwicklung fokussiert sich dabei vermehrt auf den Ausbau neuer Diagnostik- sowie Behandlungsmethoden. Gerade auf die Entwicklung von Krebspräparaten wird ein Schwerpunkt gesetzt.
Aus den Innovationen marktfähige Produkte zu entwickeln ist eine der zentralen Aufgaben verschiedener Forschungsgruppen in Pharma- und Medizintechnik. Neben den sozialen und humanitären Aspekten spielen daher auch immer mehr Effizienz- und Kostenüberlegungen eine wichtige Rolle in der Gesundheitspolitik.
Die klassischen Verfahren der Krebsdiagnostik reichen von bildgebenden Verfahren wie Szintigraphie, Computertomographie über mikroskopische bis hin zu immunologischen Verfahren. Bis heute ist die Biopsie und anschließende Befundung, basierend auf mikroskopischen Bildern, durch einen Pathologen der Goldstandard in der Diagnostik von Gewebeveränderungen. Seit den 90er Jahren veröffentlichten Forschergruppen vermehrt Publikationen über die Krebsdiagnose mittels Spektroskopie. Die Mehrzahl befasst sich Raman- oder Fluoreszenzspektroskopie. Fast ausschließlich wurden die Messungen ex vivo nach spezieller Probenpräparation durchgeführt.
Unter Spektroskopie versteht man für gewöhnlich analytische Techniken, die die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie untersuchen. Sie ermöglicht die Charakterisierung von Atomen, Ionen und Molekülen durch typische Wellenlängen, die mit Hilfe von Emission, Absorption, Streuung etc. gemessen werden können. Elektromagnetische Wellen, wie z.B. Licht, Gammastrahlung, Radiowellen, Mikrowellen, usw. können mit Materie wechselwirken, indem sie absorbiert, reflektiert oder gestreut werden. Die Spektroskopie gehört heute zu den wichtigsten instrumentellen Analysemethoden in der Physik, Chemie und Astronomie.
Unter optischer Spektroskopie versteht man für gewöhnlich die Ausnutzung elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich von ca. 200nm bis ca. 100µm zur qualitativen und quantitativen Analyse von Proben. Dabei werden methodisch je nach Wellenlänge verschiedene Spektroskopietechniken unterschieden. Zum Ersten Ultraviolett- und sichtbare Spektroskopie (UV/VIS) im Frequenzbereich von 200 nm bis 780 nm unter Anregung von Valenzelektronen. Hierbei erstreckt sich der ultraviolette Spektralbereich (UV) von 200 nm bis 370 nm und der sichtbare Spektralbereich (VIS) von 370 nm bis 780 nm. Zum Zweiten die Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR) im Frequenzbereich von 780 nm bis 2500 nm unter Anregung von Kombinations- und Oberschwingungen in Molekülen.
Schließlich, wenn auch nicht abschließend, die Mittelinfrarot-Spektroskopie (MIR) im Frequenzbereich von typisch 2,5 µm bis 25 µm unter Anregung von Grundschwingungen in Molekülen.
Unter Photolumineszenz wird im Allgemeinen die zeitverzögerte Emission eines Lichtquants nach vorausgegangener Lichtabsorption verstanden. Je nach elektronischem Übergang bzw. Zeitverzögerung wird zwischen Fluoreszenz und Phosphoreszenz unterschieden. Bei der Fluoreszenz liegt der Zeitunterschied zwischen Absorption und Emission eines Photons typischerweise in der Größenordnung von 10^-9 bis 10^-6 s, während bei der langsam abklingenden Phosphoreszenz 10^-3 bis 10^-5 s vergehen. Die Anregung der Fluoreszenz erfolgt zumeist durch UV/VIS-Licht.
Bei der Ramanspektroskopie liegt bislang ein Schwerpunkt in der Diagnostik von Brustkrebs. Die Probenpräparation reicht von schockgefrorenen, in Formalin fixierten, in Paraffin eingebetteten Schnitten bis zu nicht fixiertem gefrorenen Gewebe.
Auch die Unterscheidung von Normalgewebe, benignen (gutartigem) sowie malignen (bösartigen) Tumoren im Darm wurde früher bereits ex vivo untersucht. Hierzu können die Proben beispielsweise ex vivo nach der Biopsie untersucht werden. Die Unterscheidung von Lungenkarzinomen und Normalgewebe, das Erkennen von Plattenepithelkarzinomen im Hals-Kopfbereich (Hemotoxylin- und Eosinfärbung) und Speiseröhrenkrebs sind ex vivo bereits ebenfalls ermöglicht. Ein anderes Anwendungsgebiet ergibt sich im Einsatz bei der Erkennung von Krebsvorstufen bei der Dysplasie des Gebärmutterhalses, als Ersatz des sogenannten PAP-Tests (Papanicolaou-Abstrich), also den vaginalzytologischen Abstrich (Färbemethode von Zellen und Beurteilung auf ihre Bösartigkeit hin).
Ein besonderes Augenmerk wird bereits in laufenden Forschungsarbeiten auf nahinfrarote Strahlung (NIR) zur optischen Untersuchung gerichtet, welche sich besonders aufgrund der hohen Eindringtiefe (höhere Energie dieses Lichts, geringe Absorptionskoeffizienten) für die Untersuchung von Gewebe eignet. Wasser, Hämoglobin, Lipide, Proteine und DNA könnten hierbei erkannt werden. Jedoch konnten bislang keine speziellen Markersubstanzen, sondern nur Wellenlängenbereiche identifiziert werden. Für die meisten Stoffe sind bislang daher nur qualitative Aussagen möglich.
Auch die Erkennung von Bauchspeicheldrüsenkrebs und von Darmkrebs wurde ex vivo untersucht. Die Analyse erfolgte stets an frischen Biopsaten ohne Nachbehandlung.
Auch hinsichtlich der einzusetzenden Frequenzbereiche, die unterschiedliche Mess- und Auswerteverfahren bedingen, gibt es bislang nur wenig konkrete Ergebnisse. Der mittelinfrarote Spektralbereich (MIR) führt aufgrund des hohen materiellen Aufwandes bislang ein Schattendasein bei experimentellen Aufbauten zur in vivo Diagnose.
Die internationale Patentanmeldung WO 01/97902 A2 beschreibt eine Anlage, mit welcher in einem endoskopischen Verfahren Bilder in vivo erhalten werden können. Dabei werden stets identische Lichtpulse in den zu untersuchenden Bereich geschickt und unterschiedliche Spektralanteile daraus ausgewertet. Diese Anmeldung beschreibt aber nicht die Verwendung bestimmter unterschiedlicher Lichtpulse, insbesondere auch keine Untersuchung eines Raman-Shifts.
Auch sind aktuellen Diagnostiksysteme teuer und wenig benutzerfreundlich.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Zur Verstärkung der Fluoreszenzantwort werden für gewöhnlich Markersubstanzen eingesetzt. Jedoch erscheint es auch möglich, körpereigene „Markersubstanzen“ heranzuziehen. So können unter anderem Hormone, Enzyme, Eiweißkörper und insbesondere deren vermehrtes Vorkommen im Blut oder Gewebe einen Krankheitszustand anzeigen. Im Gegensatz zu gewöhnlichen, injizierbaren Markersubstanzen brauchen körpereigene „Markersubstanzen“ nicht wie Medikamente zugelassen werden. Die hierbei entstehenden Kosten sowie die notwendigen Tierversuche, sowie ggf. Versuche an menschlichen Probanden, können wegfallen. Durch körpereigene Markersubstanzen kann ggf. auf die Nutzung von aufwändigen und kostenintensiven Markersubstanzen verzichtet werden und kostengünstig und schnell Rückschlüsse über verschiedene Gewebezustände anhand der Konzentration der körpereigenen Stoffe erhalten werden.
Beispielsweise ist Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (abgekürzt NAD/NADH oder Coenzym 1) ein Hydridionen (Zwei-Elektronen/Ein-Proton) übertragendes Koenzym, das an zahlreichen Redoxreaktionen des Stoffwechsels der Zelle beteiligt ist. Es dient als Oxidationsmittel und nimmt z.B. beim Abbau von Kohlenhydraten eine zentrale Rolle ein. NADH wird gelegentlich als „Träger von Lebensenergie“ bezeichnet. Wie wesentlich das NADH für alles Leben ist, zeigt die Tatsache, dass es in praktisch jeder menschlichen, tierischen oder pflanzlichen Zelle vorhanden ist, so dass sich sagen lässt: Je aktiver eine Zelle ist, umso mehr NADH verbraucht sie. NADH ist daher auch hinsichtlich der Photometrie ein interessanter Kandidat, da er neben seinem universellen Vorkommen auch mit den Werkzeugen der Fluoreszenz unterscheidbares Verhalten zeigt. So zeigt NADH bei einer Wellenlänge von 340nm ein Absorptionsmaximum, im Gegensatz zu NAD. Hieraus können sich Rückschlüsse über die Stoffwechselaktivität ziehen lassen.
Neben NADH kristallisiert sich Collagen als Markersubstanz heraus. Diese Fluoreszenz kann bei richtiger und verständiger Auswertung als wichtiger Indikator des Zellmetabolismus, des Redoxzustandes sowie für Sauerstoffmangel in der Atmungskette herangezogen werden. Ein Anstieg der NADH-Konzentration und somit dessen Fluoreszenz deutet beispielsweise auf eine verminderte Gewebeaktivität und damit einhergehenden niedrigen NADH-Verbrauch hin. Umgekehrt lässt eine verminderte NADH-Konzentration im Gewebe auf einen Anstieg der metabolen Zellaktivität schließen. Diesen Sachverhalt kann man sich in der Lokalisation von Tumoren zu nutze machen.
Als Hämoglobin wird ein eisenhaltiges, sauerstofftransportierendes Protein bezeichnet, das in den Erythrozyten (roten Blutkörperchen) von Wirbeltieren vorkommt. Der Sauerstofftransport erfolgt über die Bindung an einen Eisenkomplex des Häm (Protopophyrin °IX). Das charakteristische Spektrum von sauerstoffbeladenem (Oxyhämoglobin) gegenüber sauerstoffunbeladenem (Desoxyhämoglobin) Hämoglobin zeigt, dass sich die Spektren größtenteils überlagern und man anhand des Spektrenverlaufs direkt Rückschlüsse über Durchblutung und Sauerstoffsättigung ziehen kann.
Die NADH/NADPH-Fluoreszenz ist ein wichtiger Indikator des Zellmetabolismus, des Redoxzustandes, sowie für Sauerstoffmangel und Störungen in der Atmungskette. Ein Anstieg der NADH-Konzentration und somit dessen Fluoreszenz deutet auf eine verminderte Gewebeaktivität und damit einhergehenden niedrigen NADH-Verbrauch hin. Im Gegenzug deutet eine verminderte NADH-Konzentration im Gewebe auf einen Anstieg der metabolen Zellaktivität hin. Genau diesen Sachverhalt macht man sich in der Tumorlokalisation zu Nutze, tumoröses Gewebe weist im Vergleich zu Normalgewebe eine erniedrigte NADH-Fluoreszenz auf.
Jedoch ist eine Messung der NADH-Fluoreszenz für eine mögliche in vivo Anwendung bei der Tumorlokalisation in inneren Organen bislang aufgrund der Baugröße der einzusetzenden Messgeräte nicht umsetzbar.
Basierend auf einer Plattformtechnologie (Signalerfassung und Kommunikation) soll nun ein flexibles und miniaturisiertes System vorgestellt werden, das gegenüber äußeren Einflüssen sehr robust ist.
Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, mittels eines Systems tumoröses von gesundem Gewebe unterscheiden zu können. Unter tumorösem Gewebe können bösartige und gutartige Tumore im weitesten medizinischen Sinne verstanden werden.
Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, verschiedene Messungen an einem Punkt des Gewebes so durchführen zu können, dass auch dasselbe Gewebe von den verschiedenen Messungen erfasst wird.
Weitere Aufgaben ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bzw. den besonderen Vorteilen, die mit bestimmten Ausführungsformen erzielt werden.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das Verfahren zum spektralen Analysieren einer Probe umfasst die folgenden Schritte. Zunächst wird eine Kanüle an die Probe angesetzt. Beispielsweise kann die Kanüle von einer verschieblichen Analysensondenhalterung gehalten und an dieser elektromotorisch an die Probe angesetzt werden. Es ist aber auch möglich, dass die Kanüle per Hand an die Probe angestellt wird.
Das Ansetzen an die Probe kann entweder ein Anstellen an die Probe sein, wobei die Kanüle die Probe mit einer Messspitze flächig berührt, oder aber ein Einführen in die Probe, wobei die Kanüle zumindest mit der Messspitze in die Probe eindringt, insbesondere einsticht.
Ist die Kanüle an die Probe angesetzt, wird ein erster Lichtpuls erzeugt und der erste Lichtpuls in die Kanüle geleitet. Beispielsweise kann der erste Lichtpuls über einen ersten Lichtwellenleiter geleitet werden, der insbesondere direkt in die Kanüle geführt ist. Der erste Lichtpuls wird dabei in vorteilhafter Weise erzeugt, während die Kanüle an die Probe angesetzt ist und die Kanüle dabei nicht bewegt wird. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, wenn die Kanüle möglichst keine Relativbewegung zu der Probe durchführt.
Die Probe wird dann mit dem ersten Lichtpuls durch die Kanüle hindurch bestrahlt bzw. beleuchtet. Bei dem ersten Lichtpuls kann es sich um ein kohärentes Lichtbündel oder auch um ein inkohärentes Lichtbündel handeln; Beide Arten haben Vorteile, weshalb es besonders bevorzugt vorgesehen ist, beide Arten zugleich einzusetzen.
Es wird weiter ein zweiter Lichtpuls, der von dem ersten Lichtpuls verschiedenartig ist, erzeugt und dieser in die Kanüle geleitet. Die Probe wird dann mit dem zweiten Lichtpuls durch die Kanüle bestrahlt, wobei nach wie vor die Kanüle an die Probe angesetzt ist.
Auch die Spektralantwort des zweiten Lichtpulses wird ausgelesen, erst danach wird die Kanüle von der Probe abgesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird während die Kanüle an die Probe angesetzt ist auch ein dritter Lichtpuls erzeugt, der von dem ersten und dem zweiten Lichtpuls verschiedenartig ist. Auch der dritte Lichtpuls wird in die Kanüle geleitet.
Noch während die Kanüle an die Probe angesetzt ist wird die Probe mit dem dritten Lichtpuls durch die Kanüle bestrahlt bzw. beleuchtet. Auch die Spektralantwort des dritten Lichtpulses wird ausgelesen, danach erfolgt das Absetzen der Kanüle von der Probe.
Eine multispektrale Analysensonde zur Analyse verschiedener Spektralbereiche einer Probe umfasst eine Kanüle an einer Probenseite der multispektralen Analysensonde. Die Probenseite ist dabei die der Probe zugewandte Seite.
Mit der Kanüle können optische Leiter umhäust werden. In einer einfachen Ausführungsform entspricht die Kanüle einer Hülse bzw. einem zylindrischen Rohrstück mit einer Öffnung auf der von der Probe abgewandten Seite oder mit beidseitigen Öffnungen. Auf der von der Probe abgewandten Seite können beispielsweise optische Leiter durch die Öffnung in die Kanüle eingesetzt werden.
An der Probenseite der multispektralen Analysensonde befindet sich eine Messspitze. Mit anderen Worten kann die Probenseite der multispektralen Analysensonde von einer Messspitze gebildet sein. Bei der Messspitze kann es sich entweder um einen Stopfen oder einen Aufsatz handeln, der lichtdurchgängig ausgebildet ist, so dass eine spektrale Beobachtung der Probe durch die Messspitze hindurch ermöglicht ist.
In der Messspitze kann auch eine Lichtoptik eingesetzt sein. Beispielsweise kann die Messspitze so gestaltet sein, dass sie die durchgehende Strahlung bündelt.
Die Messspitze kann ferner eine unterschiedlich gestaltete Oberfläche haben. Die Messspitze kann flach ausgebildet sein. Mit einer flachen Messspitze kann insbesondere eine Oberfläche der Probe abgetastet werden. Mit anderen Worten kann die flache Messspitze an eine Probe angestellt, also insbesondere angedrückt, werden, wobei die flache Messspitze nicht in die Probe eindringt, da sie eine flache Oberfläche aufweist. Eine solche Form der Messspitze ist vorteilhaft, wenn beispielsweise die Oberfläche der Probe analysiert werden soll, wie dies insbesondere bei Biopsien durchgeführt wird.
Andererseits kann die Messspitze spitz ausgebildet sein, so dass die Messspitze und zum Eindringen in die Oberfläche der Probe geeignet ist. Mit anderen Worten ist in diesem Fall die Messspitze angeschliffen, angeschrägt oder ganz allgemein gespitzt oder geschärft, so dass eine sich zur Spitze hin verjüngende Struktur ausbildet, die besonders einfach in die Probe eindringen kann. Insbesondere kann die Messspitze die Form einer Nadelspitze haben und ähnlich wie beispielsweise eine Nadel zur Blutentnahme in Gewebe eingestochen werden.
Die multispektrale Analysensonde umfasst bevorzugt einen ersten Lichtwellenleiter zum Transport eines ersten Lichtpulses. Der Lichtwellenleiter ist somit geeignet, einen photonischen Puls eines bestimmten Frequenzbereiches oder einer bestimmten Frequenz von einem Ort zu einem anderen zu transportieren. Prinzipiell eignen sich hierfür dem Fachmann bekannte Kunststoffstäbe, in die die Lichtwellen einkoppeln können. Bevorzugt werden aufgrund der besseren Flexibilität jedoch auch im Allgemeinen als Lichtwellenleiter bezeichnete flexible Materialien, insbesondere faseroptische Leiter. In Lichtwellenleiter können an einer ersten Seite Lichtwellen einkoppeln und an der zweiten, der ersten gegenüberliegenden, Seite wieder auskoppeln. Der wohl als bekanntester Vertreter dieser Art zu bezeichnende Lichtwellenleiter ist eine Glasfaserleitung. Auch eine Quarzfaserleitung kann je nach Einsatzfrequenz oder -spektrum vorteilhaft sein.
Die multispektrale Analysensonde umfasst ferner einen zweiten Lichtwellenleiter zum Transport eines zweiten Lichtpulses, der von dem ersten Lichtpuls verschiedenartig ist. Der erste und der zweite Lichtpuls werden durch die Kanüle an die Messspitze geleitet, um eine Spektralantwort an oder in der Probe zu erzeugen. Mit anderen Worten wird ein Lichtpuls an die Messspitze herangeführt und an die Probe abgegeben, um aus dem an die Probe abgegebenen Lichtpuls eine Spektralantwort zu erhalten.
Die Messspitze kann zur Verbesserung der Eindringung in die Oberfläche der Probe mittels eines Facettenschliffs, eines Hinterschliffs oder einen Einfachschliffs versehen sein. Mit anderen Worten ist die Messspitze geschliffen, so dass die multispektrale Analysensonde in die Probe eingestochen werden kann.
Der Außendurchmesser der Kanüle beträgt in vorteilhafter Weise größer gleich 0,3 mm, bevorzugt größer gleich 0,6 oder 0,8 mm. Je größer der Außendurchmesser der Kanüle ist, desto einfacher lassen sich Lichtwellenleiter in der Kanüle anordnen, beziehungsweise desto mehr Lichtwellenleiter lassen sich in der Kanüle anordnen.
Andererseits beträgt der Außendurchmesser der Kanüle bevorzugt kleiner gleich 4,0 mm, weiter bevorzugt kleiner gleich 2,0 oder sogar 1,5 mm. Eine Obergrenze für den Außendurchmesser der Kanüle ist von Bedeutung, da damit einerseits der durchleuchtete Bereich der Probe begrenzt und somit enger definiert werden kann. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn kleine Tumore beobachtet werden sollen, bei denen bei einer zu großen Kanüle auch gesundes umliegendes Gewebe analysiert würde. Die Obergrenze für den Außendurchmesser der Kanüle ist ferner auch von Vorteil, falls die Kanüle zum Eindringen in die Probe ausgelegt wird. Die Kanüle kann beispielsweise in tumoröses Gewebe eindringen. Ähnlich wie eine gewöhnliche Nadel, die in die Haut eingestochen wird, hat auch die Kanüle beim Eindringen oder Einstechen in die Probe das Material der Probe, also insbesondere das Gewebe, zu verdrängen. Der Verdrängungsvorgang erzeugt einen Eindringwiderstand, der bei kleinerem Durchmesser der Kanüle verringert ist.
Die Wandstärke der Kanüle muss groß genug sein, der Belastung, insbesondere der lateralen „Knickbelastung“, beim Anstellen an die Probe zu widerstehen, um die Kanüle bzw. die multispektrale Analysensonde vor Bruch zu bewahren. Andererseits ist eine dünne Wandung zur Erlangung eines geringen Außendurchmessers vorteilhaft. Die Wandstärke der Kanüle ist das bevorzugt größer gleich 0,1 mm und kleiner gleich 0,3 mm. Somit kann die Kanüle insgesamt einen geringen Außendurchmesser aufweisen, zugleich verbleibt aber hinreichend Raum im Inneren der Kanüle zur Beherbergung der Lichtwellenleiter.
Der erste Lichtpuls und der zweite Lichtpuls können im Wesentlichen gleichzeitig oder in einem kurzen Zeitintervall nacheinander über die Kanüle an die Probe abgegeben werden. Mit anderen Worten werden der erste und der zweite Lichtpuls mit derart geringem zeitlichen Abstand an die Probe abgegeben, dass die Spektralantwort auf den jeweiligen Lichtpuls gerade noch dem zugehörigen Lichtpuls zugeordnet werden kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist es auch möglich, den ersten und zweiten Lichtpuls gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig an die Probe abzugeben und ggf. sogar nur eine gemeinsame, überlagerte Spektralantwort zu erhalten. Ziel ist, dass die Lichtpulse im Wesentlichen auf dasselbe Probenmaterial abgegeben werden. Je näher der zeitliche Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtpuls, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich zwischenzeitlich die Probe oder die multispektrale Analysensonde eine Bewegung durchläuft, es insbesondere also zu einer Relativbewegung zwischen Probe und Sonde kommt. Andererseits kann es je nach Auslegung der Auswerteelektronik zur Auswertung der Spektralantworten auf die Lichtpulse vorteilhaft sein, dass die Lichtpulse als getrennte Pulse aufgezeichnet und analysiert werden können. Ggf. werden die Lichtpulse von verschiedenen Auswerteelektroniken ausgewertet und können in diesem Fall über Lichtwellenleiter der jeweiligen Auswerteelektronik zugeführt werden.
In einer besonderen Ausgestaltung kann die multispektrale Analysensonde einen Lichtmischer umfassen, wobei der erste Lichtwellenleiter den ersten Lichtpuls und der zweite Lichtwellenleiter den zweiten Lichtpuls in den Lichtmischer einkoppelt und der erste und der zweite Lichtpuls über einen gemeinsamen Lichtmischerleiter durch die Kanüle zur Abgabe an die Probe weitergeleitet werden. Mit anderen Worten werden die Lichtpulse vor der Messspitze, insbesondere vor der Kanüle, in den Lichtmischer eingekoppelt und in dem gemeinsamen Lichtmischerleiter gleichzeitig oder nacheinander übertragen. Der Lichtmischer kann in einer einfachen Ausführungsform in der Nähe der Quellen angeordnet sein. Es hat sich jedoch aufgrund von beobachtetem Dämpfungsverhalten als vorteilhaft erwiesen, den Lichtmischer an oder in der Nähe der Kanüle anzuordnen, so dass zwischen Lichtmischer und Messspitze (Probe) eine möglichst kurze Distanz vom Licht zu überbrücken ist.
Der Lichtmischerleiter ist bevorzugt in die Kanüle eingesetzt, er endet bevorzugt in der Kanüle unmittelbar an der Messspitze oder bildet ggf. einen Teil der Messspitze.
Ein Kanülenende des ersten Lichtwellenleiters kann in die Kanüle eingesetzt sein und beispielsweise unmittelbar an der Messspitze enden. Der erste Lichtwellenleiter kann auch einen Teil der Messspitze bilden. Mit anderen Worten grenzt das Kanülenende des Lichtwellenleiters in dieser Ausführungsform unmittelbar an die Messspitze, die beispielsweise aus optisch leitendem Material ausgeführt ist. In der weiteren Ausführungsform ist der erste Lichtwellenleiter selbst bis an den Rand der Probenseite der Kanüle geführt, so dass das Kanülenende des ersten Lichtwellenleiters beim Ansetzen der Kanüle an die Probe selbst die Probe unmittelbar berührt. Sofern das Kanülenende des ersten Lichtwellenleiters die Probe unmittelbar berührt, kann die Anzahl der optischen Grenzflächen in der Kanüle weiter verringert werden, da das Licht im ersten Lichtwellenleiter bis zum Kanülenende propagieren kann und dort unmittelbar in die Probe austritt, ohne durch weiteres Material zu laufen.
Auch der zweite Lichtwellenleiter kann ein Kanülenende aufweisen, welches in die Kanüle eingesetzt ist und unmittelbar an der Messspitze endet oder einen weiteren Teil der Messspitze bildet.
Die multispektrale Analysensonde kann ferner einen dritten Lichtwellenleiter zum Transport eines, von dem ersten und dem zweiten Lichtpuls verschiedenen, dritten Lichtpulses aufweisen. Auch der dritte Lichtpuls wird durch die Kanüle an die Messspitze geleitet, um eine Spektralantwort an oder in der Probe zu erzeugen. Mit anderen Worten wird mit einem dritten Lichtpuls eine weitere, verschiedenartige Spektralantwort von insbesondere exakt derselben Stelle der Probe erhalten, so dass eine Überlagerung der Analyseergebnisse der Spektralantwort des dritten Lichtpulses mit den Analyseergebnissen der Spektralantworten des ersten und zweiten Lichtpulses ggf. neue, weitere Informationen über die Probe bereitstellt.
Auch der dritte Lichtwellenleiter der multispektralen Analysensonde kann den dritten Lichtpuls in den Lichtmischer einkoppeln. In dieser Ausführungsform wird der erste, der zweite und der dritte Lichtpuls über den gemeinsamen Lichtmischerleiter durch die Kanüle zur Abgabe an die Probe weitergeleitet.
In die Kanüle ist bevorzugt ein vierter Lichtwellenleiter eingesetzt um die Spektralantwort auf den ersten Lichtpuls aus der Kanüle zu leiten. Mit anderen Worten ist neben dem oder den Lichtwellenleitern zum Zuführen eines optischen Signals zu der Probe auch ein Lichtwellenleiter zum Abführen der Spektralantwort von der Probe in der Kanüle beherbergt. Bevorzugt existiert zu jedem zuführenden Lichtwellenleiter auch ein abführender Lichtwellenleiter.
In die Kanüle kann somit ein fünfter Lichtwellenleiter eingesetzt sein, um die Spektralantwort auf den zweiten Lichtpuls aus der Kanüle zu leiten. In die Kanüle kann auch ein sechster Lichtwellenleiter eingesetzt sein um die Spektralantwort auf den dritten Lichtpuls aus der Kanüle zu leiten.
Die Lichtwellenleiter können bevorzugt nebeneinander in der Kanüle eingesetzt sein. Mit anderen Worten werden die Lichtwellenleiter von der der Probe gegenüberliegenden Seite parallel zueinander und als Leiterbündel dicht gepackt in die Kanüle geführt, so dass ein enges platzsparendes Bündel vorliegt und der Außendurchmesser der Kanüle weiter verringert werden kann.
In einer besonderen Ausführungsform sind der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Lichtwellenleiter sowie der Lichtmischerleiter nebeneinander in der Kanüle eingesetzt, so dass die Einzelzuführung der Lichtpulse alternativ zu der Zuführung durch den Lichtmischerleiter an der Probe durchgeführt werden kann, ohne die multispektrale Analysensonde von der Probe abzusetzen.
Der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Lichtwellenleiter sowie der Lichtmischerleiter können mit dem jeweiligen Kanülenende gemeinsam die Messspitze der multispektralen Analysensonde bilden. Mit anderen Worten kommen die Kanülenenden der nebeneinander liegenden Lichtwellenleiter an der Probenseite der Kanüle in dieser Ausführungsform so zu liegen, dass die Lichtwellenleiter beim Ansetzen der multispektralen Analysensonde an eine Probe unmittelbaren Kontakt mit der Probe eingehen.
Die Lichtwellenleiter, also insbesondere der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte, sechste Lichtwellenleiter und/oder der Lichtmischerleiter, umfassen in einer bevorzugten Ausführungsform faseroptische Leiter, also flexible Leiterfäden, in die optisches Licht einkoppeln und sich entlang des faseroptischen Leiters ausbreiten kann. Hierunter sind insbesondere Glasfaserleitungen oder Quarzfaserleitungen zu verstehen.
Die Lichtwellenleiter, also insbesondere die faseroptischen Leiter, insbesondere der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte, sechste Lichtwellenleiter und/oder der Lichtmischerleiter, haben bevorzugt einen Durchmesser größer gleich 0,05 mm, insbesondere größer gleich 0,1 mm. Es hat sich in Experimenten zur Erforschung der Grundlagen der vorliegenden Erfindung nämlich herausgestellt, dass diese Durchmesser eine höhere Ausbeute der spektralen Antwort ermöglichen.
Die Lichtwellenleiter, also insbesondere die faseroptischen Leiter, insbesondere der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte, sechste Lichtwellenleiter und/oder der Lichtmischerleiter, haben andererseits bevorzugt einen Durchmesser kleiner gleich 1,0 mm, insbesondere kleiner gleich 0,4 mm. Dies ist als Kompromiss gefunden worden, um bei einer möglichst hohen Ausbeute der spektralen Antwort eine vertretbare kleine Größe des Durchmessers der Fasern zu ermöglichen, so dass der Gesamtaußendurchmesser der Kanüle nicht zu groß wird und die Kanüle dadurch in ihrer Handhabbarkeit beeinträchtigt wird.
Die multispektrale Analysensonde kann eine verschiebliche Analysensondenhalterung zum Befestigen der Kanüle und zum Positionieren der Kanüle an der Probe umfassen. Mit anderen Worten kann es sich hierbei um ein Linearsystem beispielsweise in Form eines motorisch betriebenen Schlittens auf einer Schiene handeln, welcher zu Einstellzwecken auf der Schiene beweglich ist.
Der erste Lichtwellenleiter kann ein Quellende zum Verbinden des ersten Lichtwellenleiters mit einer ersten Lichtquelle umfasst. Mit anderen Worten ist der Lichtwellenleiter direkt über sein Quellende mit der ersten Lichtquelle verbunden. Hierdurch kann die Zahl der optischen Bauteile weiter minimiert werden und somit die Transmission, also die Durchlässigkeit der Lichtsignalübertragung zu der Kanüle weiter verbessert werden.
Auch der zweite Lichtwellenleiter kann ein Quellende zum Verbinden des zweiten Lichtwellenleiters mit einer zweiten Lichtquelle umfassen.
Im Übrigen kann auch der dritte Lichtwellenleiter ein Quellende zum Verbinden des dritten Lichtwellenleiters mit einer dritten Lichtquelle umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der vierte Lichtwellenleiter ein Ausgabeende zum Verbinden des vierten Lichtwellenleiters mit einem ersten Auswertegerät. Auch hier gilt der lichtoptische Grundsatz, möglichst wenig optische Bauteile in den Strahlweg zu platzieren, um die Ausbeute an Licht möglichst hoch zu halten. Eine unmittelbare Verbindung des vierten Lichtwellenleiters mit dem ersten Auswertegerät ist daher vorteilhaft.
Auch der fünfte Lichtwellenleiter kann ein Ausgabeende zum Verbinden des fünften faseroptischen Leiters mit dem ersten oder einem zweiten Auswertegerät umfassen. Mit anderen Worten kann der fünfte Lichtwellenleiter an dasselbe Auswertegerät wie der vierte Lichtwellenleiter angeschlossen sein. Dies kann der Fall sein, wenn das erste Auswertegerät dazu eingerichtet ist, mehrere Signaleingänge vorzuhalten, so dass mit einem Auswertegerät mehrere Spektralantworten verarbeitet werden können.
Auch der sechste Lichtwellenleiter kann ein Ausgabeende zum Verbinden des sechsten faseroptischen Leiters mit dem ersten oder einem dritten Auswertegerät umfasst.
Ein Analysesystem mit einer multispektralen Analysensonde zur Analyse verschiedener Spektralbereiche einer Probe umfasst eine erste optische Quelle zur Erzeugung eines ersten Lichtpulses. Die erste optische Quelle ist bevorzugt beabstandet von der Kanüle angeordnet.
Das Analysesystem mit multispektraler Analysensonde zur Analyse verschiedener Spektralbereiche der Probe umfasst ferner eine zweite optische Quelle zur Erzeugung eines zweiten Lichtpulses, der von dem ersten Lichtpuls verschiedenartig ist.
Das Analysesystem umfasst weiterhin eine Kanüle an einer Probenseite der multispektralen Analysensonde zur Beherbergung von optischen Leitern sowie eine Messspitze an der Probenseite der multispektralen Analysensonde.
Die erste optische Quelle und die zweite optische Quelle sind dabei mit der Kanüle verbunden, um die Lichtpulse an die Messspitze zu senden.
Bevorzugt werden der erste Lichtpuls der ersten optischen Quelle und der zweite Lichtpuls der zweiten optischen Quelle im Wesentlichen gleichzeitig oder in einem kurzen Zeitintervall nacheinander über die Kanüle an die Probe abgegeben, so dass die Lichtpulse im Wesentlichen auf dasselbe Probenmaterial abgegeben werden.
In einer Ausführungsform ist ein Lichtmischer umfasst, wobei der erste Lichtwellenleiter den ersten Lichtpuls und der zweite Lichtwellenleiter den zweiten Lichtpuls in den Lichtmischer einkoppelt und der erste und der zweite Lichtpuls über einen gemeinsamen Lichtmischerleiter durch die Kanüle zur Abgabe an die Probe weitergeleitet werden.
Das Analysesystem kann ferner einen ersten Lichtwellenleiter mit einem Quellende umfassen, wobei das Quellende des ersten Lichtwellenleiters mit der ersten Lichtquelle verbunden ist.
Das Analysesystem kann auch einen zweiten Lichtwellenleiter mit einem Quellende umfassen, wobei das Quellende des zweiten Lichtwellenleiters mit der zweiten Lichtquelle verbunden ist.
Das Analysesystem kann nun noch ferner eine dritte optische Quelle zur Erzeugung eines dritten Lichtpulses umfassen, der sowohl von dem ersten Lichtpuls als auch von dem zweiten Lichtpuls verschiedenartig ist.
In dieser Ausführungsform ist ferner bevorzugt ein dritter Lichtwellenleiter mit einem Quellende umfasst, wobei das Quellende des dritten Lichtwellenleiters mit der dritten Lichtquelle verbunden ist.
Die erste optische Quelle kann beispielsweise eine Fluoreszenzlichtquelle sein.
Die zweite optische Quelle kann beispielsweise eine visuelle Lichtquelle, insbesondere eine Halogenlichtquelle, sein.
Die dritte optische Quelle kann schließlich eine Nahinfrarotlichtquelle ist.
In einer bestimmten Ausführungsform werden die drei Lichtquellen in der vorbezeichneten Ausführung gemeinsam verwendet, so dass eine Fluoreszenzlichtquelle, eine visuelle Lichtquelle und eine Nahinfrarotlichtquelle gleichzeitig eingesetzt werden. Bevorzugt können alle drei verschiedenartigen Lichtpulse der verschiedenartigen Lichtquellen gleichzeitig in die multispektrale Analysensonde zur Weiterleitung an die Probe eingestrahlt werden.
Die erste optische Quelle gibt bevorzugt Licht im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 400 nm ab.
Die zweite optische Quelle gibt bevorzugt Licht im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1200 nm, insbesondere zwischen 700 und 1200 nm, ab.
Die dritte optische Quelle gibt bevorzugt Licht im Wellenlängenbereich zwischen 1200 nm und 2200 nm ab.
Mit anderen Worten geben die erste, zweite und dritte Lichtquelle zueinander verschiedenartige Lichtpulse ab, da jede Lichtquelle in einem anderen Frequenzbereich abstrahlt. Jedoch ist es auch interessant und somit bevorzugt, dass beispielsweise die erste Lichtquelle inkohärentes Licht abgibt, die zweite Lichtquelle dagegen kohärentes Licht und die Lichtpulse vor diesem Hintergrund verschiedenartig sind.
Diese Eigenschaften der Lichtquellen können ggf. auch während des Bestrahlungsvorganges der Probe geändert werden. Wesentlich ist, dass die Strahlung der ersten Lichtquelle von der Strahlung der zweiten Lichtquelle verschiedenartig ist, so dass bei einer Analyse der Spektralantwort aus der Probe unterschiedliche Ergebnisse aus den Spektralantworten extrahiert werden können und die Ergebnisse zueinander in Verbindung gebracht werden können.
Diese Verknüpfung der unterschiedlichen Ergebnisse für dieselbe Probe, aber unter Ausnutzung verschiedenartiger Lichtpulse, ermöglicht neue Erkenntnisse zu der Beschaffenheit der jeweils analysierten Probe.
Das Analysesystem kann so ausgebildet sein, dass der dritte Lichtwellenleiter den dritten Lichtpuls ebenfalls in den Lichtmischer einkoppelt und der erste, der zweite und der dritte Lichtpuls über den gemeinsamen Lichtmischerleiter durch die Kanüle zur Abgabe an die Probe weitergeleitet werden.
Das Analysesystem kann ferner einen vierten in die Kanüle eingesetzten Lichtwellenleiter umfassen, um die Spektralantwort auf den ersten Lichtpuls aus der Kanüle insbesondere an das erste Auswertesystem zu leiten.
Auch ein fünfter Lichtwellenleiter kann in die Kanüle eingesetzt sein um die Spektralantwort auf den zweiten Lichtpuls aus der Kanüle zu leiten. Schließlich kann auch ein sechster Lichtwellenleiter in die Kanüle eingesetzt sein, um die Spektralantwort auf den dritten Lichtpuls aus der Kanüle zu leiten.
Das Analysesystem mit multispektraler Analysensonde kann ferner ein erstes Auswertesystem zur spektralen und/oder fotometrischen Analyse der Spektralantwort auf den ersten Lichtpuls umfassen.
Das erste Auswertesystem kann hergerichtet sein, auch eine spektrale und/oder fotometrische Analyse der Spektralantwort auf den zweiten und/oder dritten Lichtpuls auszuführen.
Die Lichtwellenleiter des Analysesystems können Glasfaserleitungen oder Quarzfaserleitungen umfassen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teilweise mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine Seitenansicht einer multispektralen Analysensonde,
2 weitere Ausführungsform der multispektralen Analysensonde,
3 Schnitt der Kanüle der multispektralen Analysensonde,
4 Aufsicht der probenabgewandten Seite der Kanüle,
5 eine weitere Ausführungsform der Kanüle,
6 Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Kanüle,
7 Beispiel für eine Belegung der Lichtwellenleiter,
8 weitere Belegungsmöglichkeit für die Lichtwellenleiter,
9 Aufbau eines Lichtmischers,
10 eine Ausführungsform des Lichtmischers,
11 Überblick über ein Analysesystem,
12 eine weitere Form der multispektralen Analysensonde,
13 Analysensondenhalterung,
14 Analysensondenhalterung aus einer anderen Blickrichtung,
15 Intensitätsverläufe für eingestrahltes Licht,
16 beispielhafte Spektralantwort.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine erste Seitenansicht einer multispektralen Analysensonde 10. Lichtwellenleiter 30 werden geschützt und abgeschirmt von einer Bruch- und Biegesicherung 32 zu der Kanüle 20 geführt. Im Bereich des Übergangs zwischen externem Lichtwellenleiter 30 und Kanüle 20 ist eine Haltemuffe 22 angeordnet. Die Haltemuffe 22 kann vorliegend gleich mehrere Funktionen erfüllen. Zum Einen kann die Kanüle 20 an der Haltemuffe 22 befestigt, also beispielsweise eingeklebt oder eingeschraubt oder anderweitig fixiert, sein. Somit erhöht die Haltemuffe 22 die Stabilität der multispektralen Analysensonde 10. Des Weiteren kann die Haltemuffe 22 die Greifbarkeit der multispektralen Analysensonde 10 erhöhen, da sich ein fester Gegenstand entspannter und ruhiger in der Hand halten lässt, als die Kanüle 20 oder die Lichtwellenleiter 30. Die Haltemuffe 22 kann also im händigen Einsatz der multispektralen Analysensonde 10 die Analysenergebnisse verbessern, da die Sonde 10 ruhiger gehalten werden kann.
Andererseits kann die Haltemuffe 22 auch direkt zur Befestigung der multispektralen Analysensonde 10 an einer Halterung 12 (vgl. 13) ausgebildet sein. Im einfachsten Fall kann mittels einer Klemme die Sonde 10 gehaltert werden. Ggf. umfasst die Haltemuffe 22 Befestigungsmittel, insbesondere Haken oder Rastnasen, zum Befestigen an der Halterung.
In der Ausführungsform der 1 ist die Kanüle 20 mehrere Zentimeter, bspw. 5 bis 8 cm, lang. Eine solche Kanüle 20 ist besonders zum Einstechen oder Eindringen in eine Probe 100 (vgl. 11) geeignet. Es ist jedoch auch eine nur kurze Kanüle 20 von bspw. 0,2 bis 1 cm Länge vorgesehen zum äußeren Abtasten der Probe 100.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der multispektralen Analysensonde 10. Die einzelnen Lichtwellenleiter erster Lichtwellenleiter 34, zweiter Lichtwellenleiter 36 und dritter Lichtwellenleiter 38 sind mit ihrem Quellende mit einer Lichtquelle 80 (vgl. 11) verbunden um die Strahlung von der Lichtquelle 80 zu leiten. Die einzelnen Lichtwellenleiter vierter 40, fünfter 42 und sechster 44 Lichtwellenleiter sind mit einem Auswertesystem 70, 72 (vgl. 11) verbunden, um die Spektralantwort auf den jeweiligen Lichtpuls zu dem Auswertesystem 70, 72 zwecks Analyse zu leiten.
Die einzelnen Lichtwellenleiter 34, 36, 38, 40, 42, 44 sind in dieser Ausführungsform in einem Lichtmischer 50 zusammengeführt. Mit anderen Worten umfasst der Lichtmischer 50 eine Optik, die ein Einkoppeln von Lichtwellen aus verschiedenen Leitern in einen einzigen Leiter ermöglicht. An der der Probe 100 (vgl. 11) zugewandten Seite des Lichtmischers 50 tritt dann eine Lichtmischerleitung 45 aus, die das Licht bidirektional mit der Kanüle 20 und weiter mit der Probe 100 austauscht. In dieser Ausführungsform kann die Kanüle 20 besonders schlank bzw. mit geringem Durchmesser ausgeführt sein, da ggf. nur das Probenende der Lichtmischerleitung 45 darin beherbergt wird.
3 zeigt einen Schnitt der Kanüle 20, wobei an dem probenseitigen Ende eine Messspitze 24 gezeigt ist, welche das probenseitige Ende der Kanüle 20 einnimmt und das Licht der Lichtwellenleiter weiterleitet. Beispielsweise kann die Messspitze 24 ein Glasstopfen sein. In der gezeigten Form schließt die Messspitze 24 bündig an die Lichtwellenleiter 36, 44, 46 an, so dass ein besonders guter Übergang der Lichtwellen aus dem Leiter in die Messspitze 24 und umgekehrt ermöglicht ist. In der Messspitze 24 sind mögliche Strahlengänge 26 der die einzelnen Lichtwellenleiter verlassenden Strahlenbündel skizziert.
Die Messspitze 24 an der Probenseite der multispektralen Analysensonde 10 ist in 3 flach ausgeführt. Mit anderen Worten hat die Messspitze 24 eine zylindrische stumpfe Oberfläche. Die Messspitze 24 ist daher besonders zum Anstellen der multispektralen Analysensonde 10 an eine Probe 100 (vgl. 11) geeignet, also insbesondere zum Andrücken an die Probe 100. Mit der gezeigten Messspitze 24 können also besonders Analysen von Biopsien durchgeführt werden bzw. allgemein an Proben 100 (vgl. 11), in denen nicht eingestochen wird.
4 zeigt eine Aufsicht der probenabgewandten Seite der Kanüle der gleichen Ausführungsform wie 3. Somit ist eine Aufsicht auf die Lichtwellenleiter 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 dargestellt, welche in dieser Ausführungsform parallel nebeneinanderliegend angeordnet sind. In dieser Ausführungsform sind also nicht nur Quellenleiter 34, 36, 38 (erster Lichtwellenleiter 34, zweiter Lichtwellenleiter 36, dritter Lichtwellenleiter 38) und Analysenleiter 40, 42, 44 (vierter Lichtwellenleiter 40, fünfter Lichtwellenleiter 42, sechster Lichtwellenleiter 44) vorgesehen, sondern parallel auch der Lichtmischerleiter 46 in dem Lichtwellenleiterpaket und in der Bruch- und Biegesicherung 32 geführt. Mit anderen Worten kann die Probe 100 (vgl. 11) sowohl mit Einzellichtwellenleitern 34, 36, 38 als auch mit dem kombinierten Lichtmischerleiter 46 bestrahlt werden.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Kanüle. Auf der von der Probe 100 (vgl. 11) abgewandten Seite treten zum Beispiel die in 4 gezeigten Lichtwellenleiter 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 (dargestellt sind die Lichtwellenleiter 36, 46, 44, die weiteren vier Lichtwellenleiter verbergen sich dahinter) in die Kanüle 20 ein. Die Lichtwellenleiter sind durch die ganze Kanüle 20 hindurchgeführt und enden an der Probenseite. Die Messspitze 24 ist in dieser Form angeschliffen, d.h. mit einem Schrägschliff versehen, um das Einstechen der Kanüle in die Probe 100 zu verbessern.
Die Enden der Lichtwellenleiter bilden in der gezeigten Form einen Teil der Messspitze 24. Mit anderen Worten sind die Lichtwellenleiter 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46 an der Probenseite zusammen mit der Kanüle 20 so angeschliffen, dass sie die Messspitze 24 zusammen mit dem Rand der Kanüle 20 bilden und unmittelbaren Kontakt zu der Probe 100 haben, wenn die multispektrale Analysensonde 10 an die Probe 100 angestellt oder in die Probe 100 eingestochen ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass zwischen den Lichtwellenleitern und der Probe 100 keine weiteren Lichtoptischen Bauteile sind, die die Transmission beispielsweise durch Reflexion oder Brechung verschlechtern. In dieser Ausführungsform ist andererseits der Schliffwinkel von Bedeutung hinsichtlich des Ein- und Ausstrahlwinkels und des Kopplungsvermögens der lichtoptischen Pulse.
6 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Kanüle 20 der multispektralen Analysensonde in einer Aufsicht. Die Lichtwellenleiter 34, 36, 38, 40, 42, 44 und 46 sind bis zur Probenseite der Kanüle 20 geführt und bilden dort die Messspitze 24 zusammen mit dem Rand der Messspitze 24. Die Messspitze ist angeschliffen, so dass das Einstechen in die Probe 100 erleichtert ist.
7 zeigt ein weiteres Beispiel für die Belegung der Lichtwellenleiter. Mittels des ersten Lichtwellenleiters 34 werde in diesem Beispiel erste Lichtpulse zu der Probe 100 (vgl. 11) geleitet, wobei die ersten Lichtpulse im ultravioletten Frequenzbereich (UV) strahlen. Der zweite Lichtwellenleiter 36 leitet zweite Lichtpulse zu der Probe 100, wobei die zweiten Lichtpulse Laserpulse sind. Der dritte Lichtwellenleiter 38 leitet dritte Lichtpulse zu der Probe 100, wobei die dritten Lichtpulse von einer breitbandigen, also insbesondere inkohärenten, Halogenlichtquelle 80 stammen. Der vierte 40, der fünfte 42, der sechste 44 sowie der siebte Lichtwellenleiter 48 leitet die Spektralantwort auf den jeweiligen Lichtpuls an ein oder mehrere Auswertesysteme 70 weiter. Beispielsweise kann der vierte Lichtwellenleiter 40 eine Spektralantwort im nahinfraroten Bereich (NIR) von der Probe 100 aufnehmen. Ferner beispielsweise kann der fünfte Lichtwellenleiter 42 eine Spektralantwort als „Ramanpuls“ von der Probe 100 aufnehmen (Beobachtung des sog. „Raman shift“). Weiter beispielsweise kann der sechste Lichtwellenleiter 44 eine Spektralantwort im visuellen Bereich (VIS) von der Probe 100 aufnehmen und an das zugewiesene Auswertesystem 70, 72 (vgl. 11) weiterleiten. Schließlich kann der siebte Lichtwellenleiter 48 beispielsweise eine Fluoreszenz-Spektralantwort von der Probe 100 aufnehmen. Auf die Bedeutung der einzelnen Messverfahren und der dafür interessante Frequenzbereiche wird noch im Weiteren eingegangen.
Der besondere Vorteil der mit 7 gezeigten Anordnung ist, dass mit einem so kompakten Gerät wie der hier vorgestellten multispektralen Analysensonde gleich vier verschiedene Spektralantworten ausgewertet werden. Aufgrund des besseren beobachteten Signal-zu-Rauschverhältnisses der Spektralantworten werden dabei in dieser Ausführungsform einzelne Lichtwellenleiter der Verwendung des Lichtmischers 50 vorgezogen.
8 zeigt noch eine weitere Möglichkeit der Belegung der Lichtwellenleiter. Symbolisch ist die Messspitze 24 dargestellt, an welcher die Lichtwellenleiter enden.
Der erste Lichtwellenleiter 34 ist in dieser Ausführungsform als Sendefaser 34 ausgeführt. Mit anderen Worten transportiert der erste Lichtwellenleiter 34 die Lichtpulse zu der Probe 100. Nicht dargestellt, aber bevorzugt eingesetzt, ist der Lichtmischer 50, mittels welchem die Strahlung verschiedenartiger Lichtquellen 80 in die Sendefaser 34 eingekoppelt werden kann.
Die Spektralantwort verteilt sich in der Probe 100 auf den gesamten Raumwinkelbereich. Nur der Bruchteil der Spektralantwort, der vom Raumwinkelbereich des die Spektralantwort messenden Lichtwellenleiters überstrichen wird, kann zur Analyse der Probe 100 herangezogen werden. Daher sind in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der 8 je drei Lichtwellenleiter vorgesehen zur Aufnahme der Spektralantwort. Mit anderen Worten führen der zweite 36, der dritte 38 und der sechste Lichtwellenleiter 44 die Spektralantwort auf den ersten Lichtpuls von der Probe 100 weg und zu dem Auswertesystem 70, 72. In diesem Beispiel handelt es sich um Licht im visuellen Frequenzbereich (VIS). Der vierte 40, fünfte 42 und siebte Lichtwellenleiter 48 führen die Spektralantwort auf den zweiten Lichtpuls von der Probe 100 weg zu dem Auswertesystem 70. Hier handelt es sich um Licht im Nahinfrarotbereich (NIR).
9 zeigt einen beispielhaften Aufbau für einen Lichtmischer 50. In dem Beispiel werden eine Sendefaser 34 und eine Empfängerfaser 36 in die Lichtmischerleitung 45 eingekoppelt. In dem Lichtmischer 50 ist ein dichroic mirror oder Strahlteiler 52 angeordnet. Der Strahlenverlauf ist dann zunächst von oben aus der Sendefaser 34 in den Lichtmischer 50. An dem Übergang in den Lichtmischer 50 ist eine Sammellinse 54 eingesetzt, die in Kombination mit den weiteren Sammellinsen 54 die Transmission des Lichtmischers 50 verbesern kann. Den Pfeilen 56 folgend führ der Strahlenverlauf zu dem Strahlteiler 52, der den Lichtpuls in Richtung der Lichtmischerleitung 45 ablenkt, wo der Lichtpuls nach Durchlaufen der Lichtmischerleitung 45 in der Probe 100 landet.
Die Spektralantwort koppelt von der Probe 100 in die Lichtmischerleitung 45 ein und wird, den Pfeilen 58 folgend, über die Sammellinse 54 in den Lichtmischer 50 eingekoppelt. Im Lichtmischer passiert die frequenzverschobene Spektralantwort den Strahlteiler 52 und wird in den zweiten Lichtwellenleiter 36 eingekoppelt, mittels welcher die Spektralantwort schließlich zum Auswertesystem 70, 72 geleitet wird.
10 zeigt eine Ausführungsform des Lichtmischers 50. Der Lichtmischer 50 weist zylinderförmige Linsentubes 60 auf, in denen eine wie in 9 gezeigte Sammellinse 54 angeordnet ist. Der Strahlteiler 52 ist in dem quadratisch dargestellten Mittelteil des Lichtmischers 50 angeordnet. An den Linsentubes 60 sind Verbindungsmittel 62, insbesondere Schraubmittel wie beispielsweise für SMA-Steckverbinder, FC-Stecker oder SAM-Stecker, zum Anschluss der Lichtwellenleiter 30 angebracht. Ein verfahrbarer Linsentube 66 mit einem Linsentube-Einstellsystem 68 ermöglicht, mit dem Lichtmischer 50 verschiedenartige Frequenzbereiche und/oder verschiedenartige Spektralzusammensetzungen zu erfassen.
11 zeigt eine Übersicht über eine einfache Ausführungsform des Analysesystems 9 mit einer multispektralen Analysensonde 10. Eine oder mehrere Lichtquellen 80 bzw. Laser 80 können von einem Steuerungscomputer 72 zur Ausgabe von Lichtpulsen gesteuert werden. Die Lichtpulse der Lichtquelle(n) 80 werden über Lichtwellenleiter 30, beispielsweise über den ersten Lichtwellenleiter 34 und/oder den zweiten und dritten Lichtwellenleiter 36, 38, zu der multispektralen Analysensonde 10 und durch die Kanüle 20 zu der Probe 100 geleitet. Im gezeigten Fall handelt es sich um eine Gewebeprobe. Mit anderen Worten können mit der multispektralen Analysensonde 10 nichttherapeutische Messungen an extrakorporalen Proben 100, beispielsweise Biopsien, durchgeführt werden. Es können auch synthetische oder technische Proben 100 zum Zwecke der Forschung oder der Analyse von nicht-lebenden Materialien eingesetzt und analysiert werden.
In Ansprechen auf den in die Probe 100 eingebrachten Lichtpuls entsteht eine, ggf. frequenzverschobene, Spektralantwort die abermals durch die Kanüle 20 der multispektralen Analysensonde 10 und über Lichtwellenleiter 30, beispielsweise den vierten Lichtwellenleiter 40 und/oder den fünften, sechsten und/oder siebten Lichtwellenleiter 42, 44, 48, an das Auswertesystem 70, hier ein Spektrometer 70, geleitet wird.
Das Spektrometer 70 kann ggf. von dem Steuerungscomputer 72 gesteuert werden. Bevorzugt kann das mit dem Spektrometer 70 erhaltene Analyseergebnis am Steuerungscomputer 72 weiter ausgewertet werden.
12 zeigt die multispektrale Analysensonde 10 in einer bereits zu Probezwecken gebauten Form. Die Kanüle 20 ist an der Haltemuffe 22 befestigt. Die Lichtwellenleiter 30 sind durch die Bruch- und Biegesicherung 32, durch die Kanüle 20 bis zur Messspitze 24 geführt.
13 zeigt eine Ausführungsform einer Analysensondenhalterung 12, in die die multispektrale Analysensonde 10 eingesetzt ist. Die Sondenhalterung 12 weist eine Lagerung 14 der Analysensondenhalterung auf, in der Ausführungsform ein Zapfen 14, mittels der die Sondenhalterung 12 in einer Ausnehmung drehbar gelagert werden kann. Dies ermöglicht, die multispektrale Analysensonde 10 in verschiedenen Winkeln einzusetzen. Die Sondenhalterung 12 weist ferner ein Linearsystem 16 auf, an der die Analysensonde 10 linearverschieblich angebracht ist. Mit anderen Worten kann das Linearsystem 16 die Analysensonde 10 per Einstellung an dem Linearsystem, bevorzugt automatisiert mittels des Steuerungscomputers 72, an die Probe 100 ansetzen. Weiter bevorzugt ermöglicht das Linearsystem 16 mehrere Messpunkte in unterschiedlichen Tiefen in der Probe 100 aufzunehmen, indem die Probe schrittweise in die Probe 100 eingeschoben wird und in zeitlichen Abständen, korreliert zu dem Vorschub des Linearsystems 16, Lichtpulse an die Probe 100 abgegeben werden.
Die Haltemuffe 22 ist in die Sondenaufnahme 18 der Sondenhalterung 12 eingeschoben und kann dort ggf. fixiert werden, beispielsweise über eine Verrastung oder eine Klemmverschraubung 17.
14 zeigt eine weitere Ansicht der Sondenhalterung 12 mit eingesetzter multispektraler Analysensonde 10. Die Sonde 10 ist mittels der Klemmverschraubung 17 in der Sondenaufnahme 18 fixiert. Die Lichtwellenleiter 30 liegen zum Anschluss an die jeweilige Quelle 80 oder das Auswertesystem 70 bereit.
15 zeigt beispielhaft Intensitätsverläufe, die erhalten werden, wenn die Probe 100 mit einer bestimmten Frequenz angeregt wird. Beispielsweise hat sich im Verlauf der Erfindung eine Anregungsfrequenz von 360 nm (gestrichelte Linie) als vorteilhaft erwiesen. Bei dieser Frequenz konnte für das besonders interessante NADH eine befriedigende Spektralantwort erhalten werden.
16 zeigt korrespondierend hierzu Fluoreszenzemissionsspektren. Es zeigt sich, dass beispielsweise die Spektralantwort zur Auswertung von NADH bei 460 nm zu erwarten ist.
Aufgrund des am Universitätsklinikum Mannheim und am Institut für Prozessmesstechnik und innovative Energiesysteme vorhandenen Know-hows konnte ein „Low-cost-Sensor“ entwickelt werden. Im Bereich der Diagnostik zeigte sich beispielsweise in verschiedenen, die vorliegende Erfindung begründenden Studien der beiden Institute die MIR-Spektroskopie bei der In-vivo-Krebsdiagnostik Stärken, welche voraussichtlich auch in den Bereichen Arteriosklerose, Leukämie, der Erkennung von Gehirntumoren, Arthritis, BSE und Diabetes eingesetzt werden können.
Es wurden dabei zum einen Fluoreszenz-Messungen mit einer Anregungslichtquelle von 365nm eingesetzt. Die erwartete Eigenfluoreszenz wird bei 450nm erwartet, womit sich insbesondere NADH im Gewebe nachweisen lassen kann. NADH ist ein Oxidationsmittel des Körpers welches sowohl in gesundem als auch in tumorösen Gewebe vorhanden sein sollte. In vorteilhafter Weise kann die Auswertung der Messdaten ohne weitere Vorbehandlung oder Rechenschritte erfolgen, da bei einer Fluoreszenzmessung direkt die erzeugten Energiespektren für die Auswertung verwendet werden können.
Im Tiermodell (am Beispiel einer Maus) konnte die Wellenlänge 800 nm (isosbestischer Punkt Hämoglobin) zur Erkennung von Tumoren 100 fester Konsistenz in erfolgsversprechender Weise eingesetzt werden. Der isosbestische Punkt beschreibt eine Wellenlänge in einem System, in dem eine Reaktion stattfindet, aber sich die Lichtabsorption nicht ändert. In diesem Fall die Änderung des Verhältnisses von Desoxyhämoglobin und Oxyhämoglobin. Da Hämoglobin ein starker Absorber im Nahinfraroten (NIR) ist, wird dieses als Maß für die Durchblutung angenommen. Je höher die Konzentration, desto höher die Durchblutung des Gewebes. In der Fluoreszenztechnik kristallisierten sich die Parameter Collagen und NAD(P)H als Marker heraus.
Das vorgestellte Messsystem 9, das tumoröses von gesundem Gewebe 100 anhand der Spektren der Gewebeproben 100 zu unterscheiden vermag, wird ständig weiterentwickelt, so dass auf eine aufwändige und meist kostspielige pathologische Befundung ggf. in Zukunft verzichtet werden kann. Dies bedeutet im Falle eines eventuellen späteren Einsatzes im Gesundheitsmarkt eine effektive Senkung der Krankenhauskosten und der damit verbundenen Therapie- und Laborkosten. Die mit dem Messsystem gewonnenen Erkenntnisse sollen herangezogen werden können, ein qualitativ hochwertiges Krebsdiagnosetool für den Klinikeinsatz stetig weiterzuentwickeln, zu zertifizieren und auch marktfähig zu machen.
Zunächst soll kurz umrissen werden, wie tumoröses Gewebe beispielsweise mittels spektroskopischer Untersuchungen erkannt werden kann. Zum einen konnte festgestellt werden, dass sich tumoröses Gewebe 100 durch eine höhere Proliferation (Zellteilung) und einen gesteigerten Stoffwechsel auszeichnet. Diese Gewebeeigenschaften lassen sich messtechnisch erfassen. Zur Lokalisation von tumorösem Gewebe sind jedoch klassische Tumormarker, wie sie in Blut eingesetzt werden, unbrauchbar (ggf. mit Ausnahme von PSA). Ziel dieses Verbundprojektes ist es insgesamt, das multispektrale, insbesondere faseroptische, Messsystem 10 aufzubauen und weiterzuentwickeln, welches Rückschlüsse auf den Gewebezustand zulässt und so tumoröses Gewebe 100 lokalisiert.
In einem Beispiel werden die Spektroskopietechniken NIR (Nahinfrarot), VIS (visuell), Fluoreszenz und Raman faseroptisch in einer Sonde 10 oder Stichsensor 10 vereint. Den Informationen aus den optischen Messungen entnimmt man aussagekräftige Wellenlängen/Wellenlängenbereiche und führt diese in einem Auswertealgorithmus zusammen, der in eine Software mit Benutzeroberfläche implementiert ist und auf einem konventionellen PC 72 oder Tablet installiert wird.
Zusätzlich zur Biopsienadel 20 wird der Stichsensor mit Lichtwellenleitern 30 auf Saphirfaserbasis und mit direkt aufgesetzter Elektronik zur Erlangung kurzer Faserwege eingesetzt. Eine MIR-in-vivo-Messung ist damit erstmalig ermöglicht. Durch die neuartige Sensorik mit zugehöriger Software sind eine Vorabdiagnose im Körper und/oder eine gezielte Biopsie möglich. Mit diesem Messequipment 9 ist erstmals eine simultane in-vivo-Messung des Gewebestoffwechsels, dessen Zusammensetzung sowie pH-Wert, Wassergehaltes und O₂-Sättigung detektierbar und steht der Auswertung offen. Die Anzahl von Biopsaten an unterschiedlichen Stellen könnte zukünftig reduziert werden und somit die Kosten auf der Diagnoseseite erheblich gesenkt werden. Je nach Leistungsfähigkeit des Systems wird der Verzicht auf eine Biopsie angestrebt. Das System wird in der Lage sein Blutgefäße zu erkennen und dem behandelnden Arzt als Frühwarnsystem zur Verfügung zu stehen, wodurch unvorhergesehene Blutungen verhindert werden können.
Sobald das Analysesystem 9 hinsichtlich des Zertifizierungsverfahrens dahingehend weiterentwickelt, insbesondere zugelassen, ist, Diagnose und photodynamische Therapie (PDT) zu vereinen, beschränken sich Biopsie und Therapie auf lediglich nur noch einen Eingriff.
Unter der PDT versteht man ein Behandlungsverfahren zur Behandlung von Tumoren und anderen Gewebeveränderungen. Hierbei wird durch Licht einer bestimmten Wellenlänge die lichtaktivierbare Substanz (Photosensibilisator) angeregt. Es entstehen toxische Substanzen, die den Tumor bzw. das Gewebe schädigen. Auch das Einbringen von sogenannten Seeds über die Biopsienadel ist möglich (Therapie bei Prostatakarzinomen). Bei Seeds handelt es sich um einige Millimeter große, radioaktive Metallstifte. Diese werden in das tumoröse Gewebe verbleibend injiziert und zerstören das umliegende Gewebe. Dies führt zwangsläufig zu geringeren Operationszeiten und kürzeren Liegedauern der Patienten. Dies bedeutet eine effektive Senkung der Krankenhauskosten und eine zielgerichtete Therapie.
Da dieses innovative Konzept auch zur Unterscheidung von fibrösem (entzündetem) Gewebe 100 aber auch auf Gewebe mit erhöhtem Fettanteil hochempfindlich reagiert, sind zwei weitere Einsatzfelder denkbar: Fettleberdiagnose sowie Erkennen des aktuellen Leberzustandes im Verlauf einer chronischen Hepatitis.
Auch für die Grundlagenforschung ist die vorgestellte multispektrale Analysensonde 10 von Interesse. In die Nähe von tumorösem Gewebe platziert lassen sich insbesondere Rückschlüsse auf die Wirksamkeit bzw. den Einfluss einer Chemotherapie auf den lokalen Metabolismus ermitteln. Direkte Einflüsse des Medikamentes auf den Zellstoffwechsel während der Therapie werden sichtbar.
Ein wichtiger Teil der Messapparatur ist die Sonde 10, für die im Folgenden ein möglicher bevorzugter Materialaufbau mit jeweiligen Bezugsquellen angegeben ist. Als Lichtwellenleiter können 7x1,40m Glasfasern mit jeweils 200 µm Coredurchmesser beispielsweise der Fa. Edmund Optics GmbH eingesetzt werden. Die Fasern werden beispielsweise durch eine Standardkanüle (1,1x50mm Sterican 19G der Fa.B.Braun Melsungen AG) geführt und enden bündig mit deren Spitze. Zudem sind an allen sieben Glasfasern Stecker (Multimode SMA905 Connector für 200pm-Fasern) der Fa.Thorlabs GmbH in vorteilhafter Weise angebracht. Ddie Fasern selbst werden durch sieben Schutzschläuche (FT038-BK) der Fa.Thorlabs GmbH von der Umgebung geschützt, da Glasfasern sehr empfindlich auf äußere Kräfte reagieren.
Durch den niedrigeren Brechungsindex des innenliegenden Faserkerns gegenüber dem Mantel tritt Totalreflexion in der Faser auf und eine Leitung von Wellen bzw. Signalen durch die Faser ist möglich (allgemein für Lichtwellenleiter).
Um Einstiche auch unter verschiedenen Winkeln zu ermöglichen, wird die Sonde 10 an der Sondenhalterung 12 befestigt. Ein Alu-Rundmaterial 14 wurde auf Maß geschnitten und als Lagerung 14 der Sondenhalterung mittig an die Befestigungsstelle der Spindel montiert. Die mittige Position wählt man deshalb, um die Hebelwirkung möglichst klein halten zu können. Das Rundmaterial kann somit sogar in einfacher Weise mit der Laborklemme an das Laborstativ befestigt werden.
Um verschiedene Einstichtiefen im selben Stichkanal in der Probe 100 ermöglichen zu können ist es eine Möglichkeit, die Sonde 10/Kanüle 20 an ein Linearsystem 16 zu koppeln um dann stufenweise möglichst genau ins Gewebe 100 eindringen zu können. Gewählt wurde bspw. im Fall der 13 ein Linearsystem der Fa. Spindler & Hoyer (heute Fa. QOptics) woran die Sonde 10 befestigt und adaptiert wird.
Zum Befestigen der Sonde 10 an die Spindel 16 wird eine Aluschiene 18 auf Maß gesägt in der man mit einer feststellbaren Schraube 17 die Sonde 10 mittig fixieren kann. Die Wahl des Materials Aluminium ist kostengünstig und erlaubt eine einfache Bearbeitung und Handhabung.
14 zeigt den Aufbau des Messsystems 9 der Hochschule. Hierbei sind alle benötigten Messgeräte 70 aufgebaut und mit der Sonde 10 über die Lichtwellenleiter 30 miteinander verbunden. Zudem ist die Eigenbausonde dargestellt, die am Linearsystem 16 adaptiert und an einem Laborstativ befestigt wird, um dann in die Gewebeprobe 100 einstechen zu können. Die gemessenen Werte werden anschließend im Messrechner 70 in brauchbare Informationen umgewandelt.
Die Eigenbausonde 10, die in dieser Ausführung sieben Lichtwellenleiter 30 umfasst, wird ins Gewebe eingestochen, wobei zunächst ermittelt werden kann, welcher Lichtwellenleiter (bei gewählter mittlerer Sendefaser) den besten Messwert liefert. Da alle Ergebnisse unmittelbar aneinander liegen, kann man mit jeder Faser typischerweise ein gutes Messsignal erzielen.
Einzelne Gewebearten unterscheiden sich ggf. in ihrer Zusammensetzung und ihren optischen Eigenschaften. Daher war es im Rahmen von Voruntersuchungen wichtig, ein möglichst breites Spektrum abzudecken und die Messparameter festzulegen.
Untersucht werden mehrere Gewebearten (Muskel, Leber, Fett, Gehirn) und deren Remission und Extinktion ermittelt.
Verschiedene Messpunkte liefern unterschiedliche Abweichungen, da das Gewebe 100 einen lokal unterschiedlichen Gewebeaufbau/Zusammensetzung besitzt.
Gemessen wird nun zunächst im VIS-Bereich. Zu Zwecken der Einstellung und Systemdiagnose wird die volle Bandbreite der Wellenlängen genutzt (soweit das System, bestehend aus Siliziumdetektoren (ca. 300-1100nm), das ermöglicht) um pro Messung einen möglichst großen spektralen Bereich abzudecken. Danach folgen Messungen im NIR-Bereich. Alle Messungen werden mit der gleichen Sonde durchgeführt mit der mittleren Faser als Sendefaser. Zu Einstell- und Systemdiagnosezwecken wird die Zuordnung des Empfänger-/Detektoreingangs zu den Fasern 1-6 VIS-NIR gewechselt (nach vorhergehender Prüfung liefern alle Fasern ähnliche Messwerte). Zudem muss bei der VIS-Messung beachtet werden, dass eine lichtundurchlässige Schutzhülle die Apparatur umhüllt, um Licht der Umgebung abzuhalten und somit Fremdlicht als Fehler auszuklammern. Bei den NIR-Messungen ist dies nicht der Fall, da das Spektrum dort jenseits des sichtbaren Lichts liegt, dennoch wird auch hierbei die Apparatur von einem dunklen Stoff umschlossen.
Vor Beginn der Messungen am Gewebe wird zuerst ein Referenzspektrum ermittelt, indem ein Weißstandard (bspw. von der Fa. HoffmanSphereOptics erhältlich) in einem 4mm Abstand zur Kanüle gemessen wird (Referenz). Dieser Abstand wurde durch diverse Versuche so ermittelt, dass die Integrationszeit und damit das Messsignal im späteren Gewebe ausreichend hoch ist. Danach folgt die Dunkelmessung indem man am Empfängereingang eine schwarze Kappe bzw. eine Metallkappe (bspw. eine Hutmutter aus Messing) über den SMA Eingang des Detektors anschraubt.
Beim eigentlichen Messvorgang wird die Apparatur 9 an einem Ständer befestigt um das Linearsystem 16 nutzen zu können. Hierbei werden nun die verschiedene Gewebeproben 100 unter die Apparatur 9 gelegt um dann mit der Messsonde 10 vorsichtig hineinstechen zu können. Jedes Gewebe 100 wird nun drei Mal an verschiedenen Messpunkten gemessen und dann zur weiteren Analyse der Mittelwert dieser verschiedenen Einstiche berechnet. Nun lassen sich anhand der Referenzen (Weißstandard) die Remission und daraus die Extinktion ermitteln und als Diagramme visuell darstellen. Bspw. lässt sich hierdurch erkennen, ob sich die Kurven größtenteils überlagern, oder ob es Abweichungen gibt, die insbesondere auf eine verschiedene Zusammensetzung des Gewebes an den verschiedenen Einstichstellen bzw. Messpunkten zurückzuführen sind.
Bei der Fluoreszenzmessung wird das zu untersuchende Gewebe mit einer Wellenlänge von 365nm bestrahlt bzw. angeregt (NADH), sodass das Gewebe bei 450nm eine Eigenfluoreszenz aufweist. Diese kann man anhand des Verlaufes und der Höhe des Peaks deuten. Da die gemessenen Proben vom Metzger stammen und keine Stoffwechselaktivität mehr aufweisen sind die Ausschläge aber wie erwartet sehr niedrig. Stoffwechselprodukte (insbesondere NADH) sind weitestgehend abgebaut. Allerdings lässt sich erkennen dass Leber anscheinend am besten absorbiert. Hauptabsorber im Gewebe sind Hämoglobin und Wasser
Bei der UV-Lichtquelle 80 handelt es sich wie bei der multispektralen Analysensonde 10 um einen Eigenbau mit einer UV-Leuchtiode mit einer Emissionsfrequenz von 365 nm. Die beiden Spektrometer 70 sind von der Fa. Zeiss. Zum einen der Zeiss VIS/NIR-Spektrometer (MCS621/MCS611) der die NIR- und VIS-Messungen detektiert und zum anderen einen Zeiss CCD/UV-NIR-Spektrometer zur Fluoreszenzemissionsmessung. Die Fremdlichtunterdrückung wird mit einem einfachen Tuch realisiert, welches die Gewebeprobe umhüllt um somit Fremdlichtquellen, die ggf. die Messung stören können, abzuhalten.
Als Funktionsparameter wurden beispielsweise eingesetzt: VIS-Lichtpuls, Zeitdauer 300 ms, Akkumulation 50; NIR-Lichtpuls, Zeitdauer 200 ms, Akkumulation 50; Fluoreszenzzeit 6500 ms, Akkumulation 10.
Zu Test- und Versuchszwecken zur Evaluation des vorgestellten Analysesystems 9 kann ein Versuchstier, beispielsweise eine Maus, eingesetzt werden. B16-Melanomzellen, die bekannt für starkes Streuen und Bildung von Metastasen sind, können subkutan gespritzt werden, d.h. das Melanom sollte sich unmittelbar unter der Haut befinden. Das maligne Melanom, eine Neoplasie (Gewebeneubildung) aus entarteten Melanozyten (Pigmentzellen der Haut), zählt zu den bösartigsten Tumoren der Haut und Schleimhäute. Melanomzellen sind demnach Hautkrebszellen die direkt unter die Hautoberfläche platziert werden. Als Referenzgewebe dienen für unsere Messungen Muskelgewebe (Hinterbein) sowie subkutanes Gewebe desselben Versuchstieres.
Die Position des subkutanen Tumors wird zunächst in einer stabilen seitlichen Lage auf einer Basisplatte fixiert und angestochen. Hierbei werden Spektren direkt im Zentrum des Tumors, als auch 1 mm aus der Mitte heraus ermittelt. Anschließend werden Spektren der Referenzgewebe unter gleichen Messbedingungen aufgenommen. Hierzu diente beispielsweise Muskelgewebe am Hinterbein und subkutanes Gewebe.
Im zu untersuchendem Gewebe kommen beide Formen des Hämoglobins vor. Die Spektren von Oxy- und Desoxyhämoglobin können sich überlagern. Aus den Spektren der verschiedenen Gewebe lassen sich beispielsweie die folgenden zwei Schlüsse ziehen: Zum ersten wie stark das jeweilige Gewebe durchblutet wird und zum zweiten wie hoch die Sauerstoffsättigung des jeweiligen Gewebes ist.
Eine Aussage über die Durchblutung lässt sich ganz einfach über die Peakhöhe treffen. In diesem Fall wird Muskelgewebe am stärksten, und subkutanes Gewebe am schwächsten durchblutet, was auch bereits an der roten Färbung des Muskelgewebes visuell wahrgenommen werden kann. Im Gegensatz dazu ist subkutanes Gewebe eher durchsichtig, geleeartig. Das tumoröse Gewebe 100 nimmt hierbei eine Mittelposition an beiden untersuchten Stellen ein.
Die lokale Sauerstoffsättigung des Gewebes lässt sich aufgrund der Eigenschaften von Oxy- und Desoxyhämoglobin im Peak bei ca. 560 nm bestimmen. Oxyhämoglobin besitzt hier zwei Maxima, während Desoxyhämoglobin ein Maximum genau zwischen den beiden Maxima des Oxyhämoglobins aufweist. Durch die Peakform kann man qualitative Aussagen über die lokale Sauerstoffsättigung des Gewebes treffen. Die Sauerstoffsättigung ist im tumorösen Gewebe im Vergleich zu Muskel- und subkutanem Gewebe deutlich erniedrigt.
Durch die Entwicklung eines mathematischen Algorithmusses können Absolutwerte der Sättigung im Nachhinein aus den Spektren berechnet werden. Je ausgeprägter die zwei Maxima des Sattels sind umso besser Sauerstoffgesättigt ist das Hämoglobin. Bei hoher Sauerstoffsättigung in Muskulatur bzw. subkutanen Gewebe sind die Peaks des Oxy-Hämoglobins deutlich ausgeprägter.
Das Nahinfrarotspektrum wird von den Wasserbanden bei 960 nm zweite Oberschwingung und 1450nm erste Oberschwingung dominiert. Die Höhe der Peaks ist ein direktes Maß für den lokalen Wasseranteil des Gewebes an der Sondenspitze 24. Im tumorösen Gewebe 100 liegt der Wasseranteil um den Faktor zwei unter dem gesunden Gewebe 100. Der höchste Wassergehalt liegt im muskulären Gewebe vor, subkutanes Gewebe liegt minimal darunter.
Bei der Fluoreszenzspektroskopie sind die Peaks nach der eigentlichen Anregung interessant, da man hieraus die Stoffwechselaktivität (NADH, Collagen) des untersuchten Gewebes erkennen kann. Diese können bei tumorösem Gewebe im Vergleich zu gesundem Gewebe erhöht sein. Dies lässt auf eine verminderte Gewebeaktivität schließen.
Je nach Leistungsfähigkeit des Systems wird der Verzicht einer Biopsie angestrebt. Das System wird dahingehend weiterentwickelt, dass es Blutgefäße erkennen und dem behandelnden Arzt als Frühwarnsystem zur Verfügung zu stehen kann, wodurch unvorhergesehene Blutungen verhindert werden können. Zudem wird der Arzt visuell über die aktuelle Gewebezusammensetzung, Konzentration informiert. Diese Informationen ermöglichen es, Diagnostik und Therapie in einer Operation zu vereinen. Vorstellbar ist es z.B. durch eine dickere Kanüle zunächst mit der Sonde zu messen, und falls erkranktes Gewebe detektiert wird, durch die selbe Kanüle ein sogenanntes Seed (radioaktives Metallstäbchen, welches das nähere Gewebe seiner Umgebung abtötet) ins Gewebe zu injizieren, z.B. bei Prostatakrebs.
Da dieses innovative Konzept auch zur Unterscheidung von fibrösem (entzündetem) Gewebe dienen könnte, aber auch auf Gewebe mit hohem Fettanteil empfindlich reagiert sind für zukünftige Projekte zwei weitere Einsatzfelder denkbar: Fettleberdiagnose sowie das Erkennen des aktuellen Leberzustandes im Verlauf einer chronischen Hepatitis.
Zudem kann der Sensor auch in der Nähe von tumorösem Gewebe platziert werden, woraus Rückschlüsse auf die Wirksamkeit einer Chemotherapie auf den lokalen Metabolismus ermittelt werden können. Ferner können direkte Einflüsse verschiedener Medikamente auf den Zellstoffwechsel während der Therapie sichtbar werden.
Optische Informationen, die potentiell über entsprechende Sensoren 10 zur Krebserkennung herangezogen werden können, verteilen sich auf mehrere verschiedenartige Spektralbereiche. Krebs selbst, also Krebszellen 100, sind spektral nicht direkt von anderen Zellen zu unterscheiden. In Kombination verschiedener, jedoch eng umrissener spektraler Informationen, können zusammen mit dem Wissen eines medizinischen Fachmannes typische Gewebeveränderungen, die mit Krebs 100 einhergehen, vermessen und in erfinderischer Weise interpretiert und nachgewiesen werden. Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass die Kombination bestimmter gemessener Eigenschaften mit Wahrscheinlichkeit auf bestimmte Krebsarten schließen lässt.
Eine glasfaseroptische schmale Sonde 10 kann beispielsweise in Gewebe durch Stich eindringen. Die Grundausführung der Sonde 10 wird in den meisten Fällen darin liegen, dass Glasfasern im Inneren einer Kanüle 20, zum Beispiel einer Edelstahlkanüle 20, angeordnet sind. Die Bauform der Glasfasern 30 und die Anordnung unterliegen speziellen Gesetzmäßigkeiten.
Eine Gesetzmäßigkeit ergibt sich durch die Anwendung. Die zu bauende Sonde 10 soll derartig beschaffen sein, dass man leicht mit ihr in Gewebe eindringen, vorzugsweise einstechen, kann. Es bieten sich verschiedene Schliffmuster an, wie zum Beispiel eine Anschrägung unter 45°. Auch andere Schliffmuster wie Anschrägungen in 2 Richtungen sind integraler Bestandteil der Erfindung. Die Kanüle muss die Glasfasern 30 beherbergen. Damit sollte die Kanüle einen Außendurchmesser von 0,3 bis 4 Millimeter, vorzugsweise 0,6 bis 2 Millimeter, noch bevorzugt 0,8 bis 1,5 Millimeter aufweisen. Die Wandstärke der Kanüle sollte zwischen 0,1 Millimeter und 0,3 Millimeter betragen, um hinreichend Platz im Innenraum der Kanüle 20 zu schaffen, um die Glasfasern 30 zu beherbergen. Die der Erfindung zugrunde liegenden Gesetzmäßigkeiten führen dahin, dass kohärente Lichtquellen 80 und nicht-kohärente Lichtquellen 80, also insbesondere verschiedenartige Lichtquellen 80, beide zur Anwendung kommen. Kohärente Lichtquellen 80 lassen sich in sehr dünne Glasfasern 30 mit geringem Querschnitt oder geringen Durchmesser fokussieren. Inkohärente Lichtquellen 80 andererseits ergeben eine Lichtleistung an der Sondenspitze, die proportional zur Fläche der Glasfaser 30 ist. Daher sollte die Glasfaser 30 nicht zu klein sein. Wegen der sterischen Behinderung beim Einstich und der Flexibilität des Gesamtsystems darf die Glasfaser 30 aber auch nicht zu groß sein. Als unteres Limit für die inkohärenten Lichtquellen scheint sich ein Durchmesser von 50 Mikrometer herauskristallisiert zu haben. Als oberes Limit sehen wir 1 Millimeter, bevorzugt werden Glasfasern 30 im Bereich 100 µm bis 400 µm. In praktischen Versuchen ergab sich ein derzeitiges Optimum bei Glasfasern mit 200 Mikrometer Durchmessern. Das Licht der verschiedenen Wellenlängen wird an einem Ende der Glasfaser 30 durch die Lichtquelle 80 - ein Laser 80, eine LED 80, ein Breitbandstrahler 80 oder eine andere Lichtquelle 80 - in die Glasfaser 30 über eine Optik eingekoppelt, über die Glasfaser 30 mit möglichst geringer Dämpfung transportiert und koppelt auf der Sondenseite wieder aus der Glasfaser 30 aus. Wegen des schrägen Anschliffes ist zu berücksichtigen, dass es hier zu einer Brechung und einer Reflektion kommen kann. Eine besondere Ausführungsform der Sondenspitze 24 liegt darin, dass die Fasern 30 - zum Beispiel Glas- oder Quarzfasern - nebeneinander zu liegen kommen und über dazwischen liegende Schichten der direkte optische Weg von Sender zu Empfänger verbaut ist.
Es ist nämlich so, dass außer den Fasern, die zum Senden von Licht geeignet sind, auch welche verbaut werden, die zum Empfangen von Licht geeignet sind. Durch die nicht vorhandene direkte Kopplung können extrem schwache Signale gemessen werden. Dem Entwickler optischer Messtechnik ist nämlich bekannt, dass jedwede Grenzschicht auf die Licht aus dem Senderteil des Gerätes auftrifft, zwar in der Regel dieses Licht hauptsächlich transmittiert, zu geringen Anteilen auch reflektiert oder diffus streut. Anordnungen, die solche Streuung direkt ohne Produktberührung in die Empfangsfasen ermöglichen, unterliegen der besonderen Vorsicht, wie später zu beschreiben ist.
In einer anderen Ausführungsform existiert an der Sondenspitze 24 ein Lichtmischer 50 - also zum Beispiel ein dickeres Faserstück von zum Beispiel einem Millimeter Durchmesser oder auch einem anderem Durchmesser, in welches die unterschiedlichen Lichtquellen eingekoppelt werden und als gemischtes Licht an der Sondenspitze 24 austreten.
Empfangsseitig werden die Glasfasern 30 vom menschlichen oder tierischen Gewebe 100 mit Licht versorgt. Das Licht vom Gewebe 100 wird über Streuung oder Reemission bei der eingestrahlten Wellenlänge oder einer versetzten Wellenlänge erzeugt und gelangt in die empfangende Glasfaser 100. Es können hier bündelnde Optiken 54 eingesetzt werden, es kann aber auch in anderen Anwendungsfällen günstigerweise auf die bündelnde Optik 54 gänzlich verzichtet werden. Das Licht gelangt in einer Ausführungsform dann in die angeschrägte Glasfaser 30, die parallel zur Sendefaser 34 zu liegen kommt. Über diese Glasfaser 30 wird das Licht mit geringer Dämpfung zum Nachweis geleitet und dort verarbeitet.
Im Nachweis können beispielsweise PIN-Dioden-Schaltungen mit bekannten Transimpedanzverstärkern oder anderen Verstärkern zum Einsatz kommen. Es können auch Spektrometer- Systeme aus CCD-Zeilen, PIN-Dioden oder CCD-Flächen zum Einsatz kommen, oder auch andere Detektor-Typen wie Multiplier, Avalanche-Dioden oder ähnliches.
Die gleichzeitige, parallele oder nacheinanderfolgende Verwendung von kohärentem und/oder inkohärentem Licht und die Integration speziellen Wissens über Gewebezusammensetzungen führt zu neuen Erkenntnissen und neuen Analyseverfahren mittels der vorgestellten multispektralen Analysensonde 10. So kann nach den der Erfindung zugrunde liegenden Experimenten davon ausgegangen werden, dass bei Vorhandensein von Krebszellen ein verändertes Stoffwechselsystem vorliegt. Dieses kann zu erhöhter Konzentration bestimmter Stoffwechsel-Zwischenprodukte wie NADH Protoporphyrin, FAD oder anderen typischen mit dem Stoffwechsel einhergehenden Stoffen führen. In konsequenter Weise wird eine der möglichen Teilinformationen im Rahmen der Erfindung durch das gezielte Abfragen dieser Stoffwechsel-Zwischenprodukte erfolgen. Für diese Teilaufgabe kann ein Laser 80 oder eine Leuchtdiode 80 im UVA-Bereich oder kurzwelligen blauen Bereich zum Einsatz kommen. Für Protoporphyrin könnte auch eine blaue oder grüne LED 80 oder eine andere Lichtquelle 80 für diesen Wellenlängenbereich zum Einsatz kommen.
Ein anderer im Rahmen der Erfindung herausgefundener Zusammenhang ist die Veränderung der lokalen Bindegewebedichte im Krebsgeschwür gegenüber der umgebenden Materie / Stoffsystem Gewebe. Diese Veränderung verändert die sogenannte elastische Lichtstreuung also das eingestreute Licht, welches bei gleicher Wellenlänge wieder zurückgestreut wird. Will man diese Teileigenschaft messen, verlegt man die Messung beispielsweise in einen Wellenlängenbereich, bei dem wenige Gewebearten Absorptionen zeigen. Es erwies sich hier vorteilhaft im langwelligen sichtbaren Bereich zu arbeiten, wie zum Beispiel rot, oder im nahen Infrarotbereich in dem Teil des Spektrums, der nicht durch Wasser beeinflusst ist. Hier handelt es sich um den Spektralbereich zwischen 700 und 1.200 Nanometer.
Aus technologischen Gründen kann es vorteilhaft erscheinen, den Bereich weiter einzuschränken auf den Detektionsbereich von Silizium, da Silizium-Empfänger in vorteilhafter Weise preiswert und dabei empfindlicher zu bauen sind als andere Nahinfrarot-Detektoren. Dieser Bereich wäre dann zum langwelligen Ende mit 1100 nm begrenzt.
Es kann sich jedoch auch erweisen, dass durch bestimmte Querempfindlichkeiten im Gewebe ein Ausweichen auf den Bereich 900 bis 1.200 Nanometer notwendig ist und damit als elektronischer Empfänger beispielsweise Indium-Galliumarsenid zum Einsatz kommen kann. Die elastische Lichtstreuung zeigt für den direkt vor der Sonde befindlichen Gewebeteil die Dichte des Gewebes.
Ein anderer Aspekt, der im Rahmen der Untersuchungen überraschenderweise zu Tage trat, ist die Veränderung der lokalen Wasserkonzentration im Gewebe. Die Wasserkonzentration lässt sich mit der Sonde in geeigneter Weise vermessen, wenn auf der Sendeseite ein inkohärenter Strahler im Bereich der Absorption einer Wasserbande im nahen Infrarot eingesetzt wird, wie zum Beispiel im Bereich von 1.200 Nanometer oder im Bereich von 1.400 Nanometer oder im Bereich von 1.900 Nanometer und auf der Nachweisseite 1-3 Wellenlängen oder auch mehr Wellenlängen nachgewiesen werden, die eine Absorption des Wasser zeigen und mit einer der anderen Wellenlängen einen Referenzwert generieren. Der Referenzwert wird typisch genommen bei einer Wellenlänge bei der das Wasser nicht so stark oder gar nicht absorbiert und ergibt ein Maß für die Eindringtiefe des Lichtes. Hierzu in Beziehung gesetzt wird die absorbierte Wellenlänge. Im einfachsten Auswertefall kommt der Quotient dieser beiden Wellenlängen zur Auswertung oder auch der Logarithmus des Quotienten oder auch eine andere mathematische Auswertevorschrift. Sie zeigt zunächst einen noch verfälschten Wassergehalt. Wird aufgrund von parallel laufenden Versuchen über Probenahme und Labormethoden zur Krebserkennung erkannt, dass der absolute Wassergehalt notwendig ist, kann über eine Kalibrierfunktion aus elastischer Lichtstreuung, Eindringtiefe des Lichtkegels und Extinktion aus dem gemessenen relativen Wassergehalts-Signal ein absolutes errechnet werden.
Eine weitere wichtige Information kann erhalten werden über den lokalen Sauerstoffgehalt vor der Sonde. Dieser kann gemessen werden durch Auswertung eines Spektrums oder wenigstens mehrere Wellenlängen im Bereich sichtbaren Lichtes über die Sauerstoffsättigung des Blutes. Prinzipiell ist die Sauerstoffsättigung des Blutes und deren Messung bekannt. Eine Korrelation mit anderen Messbereichen und ein Erkennen von Krebs sind bisher nicht bekannt. Ähnlich wie im nahen Infraroten, kann hier breitbandiges Licht über eine Faser 30 eingestrahlt und über eine parallele Faser 30 nachgewiesen werden. In einer Ausführungsform kann der Nachweis der nahen Infraroten Informationen und der Nachweis der in der Regel im sichtbaren Spektralbereich ablaufenden Sauerstoffmessungen über die gleiche Faser 30 erfolgen. Es könnte entweder eine kombinierte Spektrometer-Einheit auf der Nachweisseite nachgeschaltet sein, oder auch über ein Strahlteiler-System die verschiedenen Detektoren 70 bedient werden. Bei sehr stark wachsenden Tumoren ist weiterhin bekannt, dass die Sauerstoffsättigung sehr gering ist, die Sauerstoffzehrung sehr hoch ist. Es konnte überraschend festgestellt werden, dass im Inneren von schnell wachsenden Tumoren ein derart stark erhöhter Stoffwechsel stattfindet, der bis zum anaeroben Stoffwechsel führt. Gemessen werden konnte dies durch die Vermessung von Laktat, welche über Raman-Spektroskopie und entsprechend anregende Laser nachgewiesen werden konnte.
Zur besonders sicheren Erkennung von Krebs wurde herausgefunden, dass die Auswertungen des Raman-Signals zum Beispiel zum Erkennen von Laktat-Konzentrationen, die von Null verschieden sind, eine hohe Bedeutung hat. Deswegen ist es vorteilhaft, ebenfalls ein über Laser anzuregendes Ramanlicht 80 einzustrahlen. Im Nachweis kann das Raman-Spektrum oder wenigstens mehrere Wellenlängen hieraus integriert werden.
Die sichtbare Messung kann je nach zu untersuchenden Krebs ebenfalls in ähnlicher Weise auf den UV-Bereich ausgedehnt werden.
Die Bauform der Sonde kann über spezielle Auslegung bestimmte Bereiche im Gewebe 100 abtasten. Wählt man die Ausführungsform parallel liegender Fasern, so wird der direkte Bereich vor der Sonde zum Beispiel die ersten 50 Mikrometer nicht gesehen. Vielmehr wird das Licht in das Gewebe eingekoppelt und der erste Überlapp zum Empfangskegel der Nachweisfaser liegt in der Tiefe des Gewebes, also zum Beispiel 50 Mikrometer entfernt. Der optisch versierte Ingenieur kann leicht den gewünschten ersten Überlapp durch den Sendekegel und Empfangskegel durch den Abstand der Sendefaser und der Empfangsfaser einstellen. Je weiter Sendefaser, Empfangsfaser von einander entfernt sind, umso geringer ist das Signal, umso tiefer ist jedoch die Abtastungsebene.
In die andere Richtung ist das extrem darin zu sehen, dass Sendefaser und Empfangsfaser einen 100%-gen Überlapp haben, welcher über Strahlteilung auf der Geräteseite realisierbar ist. Dabei kann mit einem Strahlteiler oder einem Strahlteiler-Würfel, oder mit einem ähnlich funktionierenden Gerät aus einer Richtung der Sender angebracht werden und um 90° oder einen anderen Winkel versetzt der Empfänger. Jeweils ein Teil des eingestrahlten Lichtes wird reflektiert, geht in die Faser, gelangt an der Sondenspitze aus der Sonde heraus ins Gewebe. Das an gleicher Stelle remittierte Licht oder auch fluoreszierende Licht oder Raman-Licht wird in die gleiche Faser zurückgekoppelt, zurücktransportiert in den Strahlteiler-Würfel oder anderen Strahlteiler und gelangt zum Teil oder ganz durch diesen hindurch in das Detektorsystem. Bei dieser Ausführungsform ist der Überlapp zwischen Sender und Empfänger 100%, die Endringtiefe faktisch Null. Gemessen wird dann direkt an der Grenzfläche der Faser zum Gewebe. Je nach Anwendungsfall kann die eine oder andere Ausführungsform günstiger sein. Bei getrennten Fasern gibt es weniger Übersprechen von Sender auf Empfänger und eine Verschmutzung der Endflächen ist nicht so kritisch wie bei der Ausführungsform, wo Sender und Empfänger einen 100%-gen geometrischen Überlapp aufweisen.
Die Anforderungen an die Nachweisseite werden durch die jeweilige Anwendung vorgegeben. Wie bereits ausgeführt können Fotometer und Spektrometer zum Einsatz kommen. Bei Fotometern werden nur einzelne Wellenlängen nachgewiesen, bei Spektrometer werden sehr viele Wellenlängen nachgewiesen. Dafür ist die Nachweisempfindlichkeit der Spektrometer gegenüber den Fotometern begrenzt.
Für die Auswertung werden bevorzugt alle Informationen zugleich herangezogen. Es zeigt sich, dass zum Beispiel die gemessenen Raman- und Fluoreszenz Intensitäten bei gleichem Zustand des Gewebes, also Krebs oder nicht Krebs, in ihrer Höhe von der Gewebeeigenfarbe abhängen. Dunkleres Gewebe absorbiert die einfallende Strahlung, sodass das Signal geringer ausfällt. Daher ist es vorteilhaft, die Eigenfarbe des Gewebes mitzumessen und die entsprechende Auswertung in eine Korrektur einfließen zu lassen.
Alle vorhandenen Informationen der Gewebeveränderung können beispielsweise über eine Korrelationsmatrix, die für jeden Krebs-Typ zu erarbeiten ist, in die Auswertung mit einbezogen werden. Also insbesondere Raman, Fluoreszenz, Remissionsspektren im sichtbaren UV- und nahen Infrarot. Es kann in einzelnen Fällen vorkommen, dass einzelne Informationen nicht von Bedeutung sind. Dann kann der Konstrukteur der Sonde entscheiden, ob die Empfangskanäle und Sendekanäle dennoch mit in das Gerät zu integrieren sind oder aus Kostengründen weggelassen werden. Die Alternative ist einfach das Nicht-berücksichtigen der Information bei der Auswertung.
Es konnte gezeigt werden, dass diese spezielle Kombination der genannten Wellenlängenbereiche und konkretes Suchen nach Stoffwechsel-Zwischenprodukten und lokalen Zuständen wie Wassergehalt, Bindegewebe-Dichte und Stoffwechsel-Beobachtung und dessen Höhe, mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit den Krebs direkt von der Nagelspitze erkennt. Die Auswertung kann so schnell vollzogen werden, dass ein quasi-kontinuierliches Signal entlang des Stichweges entsteht.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind, und die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Schutzbereich der Ansprüche zu verlassen. Ferner ist ersichtlich, dass die Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
Bezugszeichenliste

9: Analysesystem
10: multispektrale Analysensonde
12: Analysensondenhalterung
14: Lagerung der Analysensondenhalterung
16: Linearsystem
17: Klemmverschraubung
18: Sondenaufnahme
20: Kanüle
22: Haltemuffe
24: Messspitze
26: Strahlengang
30: Lichtwellenleiter
32: Bruch- und Biegesicherung
34: erster Lichtwellenleiter
36: zweiter Lichtwellenleiter
38: dritter Lichtwellenleiter
40: vierter Lichtwellenleiter
42: fünfter Lichtwellenleiter
44: sechster Lichtwellenleiter
45: gemeinsamer Lichtmischerleiter
46: Lichtmischerleiter
48: siebter Lichtwellenleiter
50: Lichtmischer
52: Strahlteiler
54: Linse, Sammellinse
56: Pfeil
58: Pfeil
60: Linsentube
62: Befestigungsmittel
66: verfahrbarer Linsentube
68: Linsentube-Einstellsystem
70: Auswertesystem, Spektrometer
72: Analysen- und/oder Steuerungsrechner
80: optische Quelle
100: Probe

Claims

Verfahren zum spektralen Analysieren einer Probe (100) mit den Schritten: Ansetzen einer Kanüle (20) an die Probe (100), wobei die Kanüle zumindest einen ersten Lichtwellenleiter (34) und einen zweiten Lichtwellenleiter (36) umfasst, während die Kanüle (20) an die Probe (100) angesetzt ist: Erzeugen eines ersten Lichtpulses und Leiten des ersten Lichtpulses durch den ersten Lichtwellenleiter, Bestrahlen der Probe (100) mit dem ersten Lichtpuls durch die Kanüle (20), Auslesen der Spektralantwort des ersten Lichtpulses, Erzeugen eines zweiten von dem ersten Lichtpuls verschiedenartigen Lichtpulses und Leiten des zweiten Lichtpulses durch den zweiten Lichtwellenleiter, wobei der zweite Lichtpuls ein einen Ramanlichtpuls der Probe anregender Lichtpuls ist, Bestrahlen der Probe mit dem zweiten Lichtpuls durch die Kanüle (20), Auslesen der Spektralantwort des zweiten Lichtpulses, Absetzen der Kanüle (20) von der Probe.
Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei nach dem Schritt Bestrahlen der Probe (100) mit dem zweiten Lichtpuls durch die Kanüle (20) die Schritte folgen, während die Kanüle (20) an die Probe (100) angesetzt ist: Erzeugen eines dritten von dem ersten und dem zweiten Lichtpuls verschiedenartigen Lichtpulses und Leiten des dritten Lichtpulses in die Kanüle, Bestrahlen der Probe (100) mit dem dritten Lichtpuls durch die Kanüle (20), Auslesen der Spektralantwort des dritten Lichtpulses, Absetzen der Kanüle (20) von der Probe (100).
Multispektrale Analysensonde (10) zur Analyse verschiedener Spektralbereiche einer Probe (100), umfassend: eine Kanüle (20) an einer Probenseite der multispektralen Analysensonde (10) zur Umhäusung von optischen Leitern (30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 45, 46, 48), die Kanüle ferner umfassend: eine Messspitze (24) an der Probenseite der multispektralen Analysensonde (10), einen ersten Lichtwellenleiter (34) zum Transport eines ersten Lichtpulses zu der Probe, einen zweiten Lichtwellenleiter (36) zum Transport eines zweiten Lichtpulses, der von dem ersten Lichtpuls verschiedenartig ist, zu der Probe, wobei der zweite Lichtpuls ein einen Ramanlichtpuls der Probe anregender Lichtpuls ist, wobei der erste und der zweite Lichtpuls durch die Kanüle (20) an die Messspitze (24) geleitet werden, um eine Spektralantwort an oder in der Probe (100) zu erzeugen.
Multispektrale Analysensonde (10) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei die Messspitze (24) flach ausgebildet ist und zum Abtasten einer Oberfläche der Probe (100) geeignet ist oder wobei die Messspitze (24) spitz ausgebildet ist und zum Eindringen in die Oberfläche der Probe (100) geeignet ist.
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messspitze (24) spitz ausgebildet ist und zur Verbesserung der Eindringung in die Oberfläche der Probe (100) mittels eines Facettenschliffs, eines Hinterschliffs oder eines Einfachschliffs versehen ist.
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Außendurchmesser der Kanüle (20) größer gleich 0,3 mm, insbesondere größer gleich 0,6 mm oder größer gleich 0,8 mm, beträgt und/oder wobei der Außendurchmesser der Kanüle (20) kleiner gleich 4,0 mm, vorzugsweise kleiner gleich 2,0 mm oder kleiner gleich 1,5 mm, beträgt und/oder wobei die Wandstärke der Kanüle (20) größer gleich 0,1 mm und kleiner gleich 0,3 mm beträgt, so dass die Kanüle (20) insgesamt einen geringen Außendurchmesser aufweist, zugleich aber hinreichend Raum im Inneren der Kanüle (20) zur Beherbergung der optischen Leiter (30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 45, 46, 48) verbleibt.
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtpuls und der zweite Lichtpuls im Wesentlichen gleichzeitig oder in einem kurzen Zeitintervall nacheinander über die Kanüle (20) an die Probe (100) abgegeben werden, so dass die Lichtpulse im Wesentlichen auf dasselbe Probenmaterial (100) abgegeben werden.
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei ein Kanülenende des ersten Lichtwellenleiters (34) in die Kanüle (20) eingesetzt ist und unmittelbar an der Messspitze (24) endet oder einen Teil der Messspitze (24) bildet und/oder wobei ein Kanülenende des zweiten Lichtwellenleiters (36) in die Kanüle (20) eingesetzt ist und unmittelbar an der Messspitze (24) endet oder einen weiteren Teil der Messspitze (24) bildet.
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen dritten Lichtwellenleiter (38) zum Transport eines, von dem ersten und dem zweiten Lichtpuls verschiedenen, dritten Lichtpulses, wobei der dritte Lichtpuls durch die Kanüle (20) an die Messspitze (24) geleitet wird, um eine Spektralantwort an oder in der Probe (100) zu erzeugen.
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in die Kanüle (20) ein vierter Lichtwellenleiter (40) eingesetzt ist, um die Spektralantwort auf den ersten Lichtpuls aus der Kanüle (20) zu leiten, und/oder wobei in die Kanüle (20) ein fünfter Lichtwellenleiter (42) eingesetzt ist, um die Spektralantwort auf den zweiten Lichtpuls aus der Kanüle (20) zu leiten, und/oder wobei in die Kanüle ein sechster Lichtwellenleiter (44) eingesetzt ist, um die Spektralantwort auf den dritten Lichtpuls aus der Kanüle (20) zu leiten.
Multispektrale Analysensonde (10) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Lichtwellenleiter (30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 48) sowie ein Lichtmischerleiter (45, 46) nebeneinander in der Kanüle (20) eingesetzt sind, so dass die Einzelzuführung der Lichtpulse alternativ zu der Zuführung durch den Lichtmischerleiter (45) an der Probe durchgeführt werden kann, ohne die multispektrale Analysensonde (10) von der Probe (100) abzusetzen und/oder wobei der erste, zweite, dritte, vierte, fünfte und sechste Lichtwellenleiter (30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 48) mit dem jeweiligen Kanülenende gemeinsam die Messspitze (24) der multispektralen Analysensonde (10) bilden.
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lichtwellenleiter, einschließlich des ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten und siebten faseroptischen Leiters (30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 48) und/oder des Lichtmischerleiters (45, 46), faseroptische Leiter, insbesondere Glasfaserleitungen oder Quarzfaserleitungen, umfassen und/oder wobei die Lichtwellenleiter, einschließlich des ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften, sechsten und siebten Lichtwellenleiters (30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 48) und/oder des Lichtmischerleiters (45, 46), einen Durchmesser größer gleich 0,05 mm, insbesondere größer gleich 0,1 mm, und/oder einen Durchmesser kleiner gleich 1,0 mm, insbesondere kleiner gleich 0,4 mm aufweisen.
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine verschiebbare Analysensondenhalterung (12) zum Befestigen der Kanüle (20) und zum Positionieren der Kanüle (20) an der Probe (100) .
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtwellenleiter (34) ein Quellende zum Verbinden des ersten Lichtwellenleiters (34) mit einer ersten Lichtquelle (80) umfasst und/oder der zweite Lichtwellenleiter (36) ein Quellende zum Verbinden des zweiten Lichtwellenleiters (36) mit einer zweiten Lichtquelle (80) umfasst und/oder der dritte Lichtwellenleiter (38) ein Quellende zum Verbinden des dritten Lichtwellenleiters (38) mit einer dritten Lichtquelle (80) umfasst.
Multispektrale Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der vierte Lichtwellenleiter (40) ein Ausgabeende zum Verbinden des vierten Lichtwellenleiters (40) mit einem ersten Auswertegerät (70) umfasst und/oder der fünfte Lichtwellenleiter (42) ein Ausgabeende zum Verbinden des fünften Lichtwellenleiters (42) mit dem ersten oder einem zweiten Auswertegerät (70) umfasst und/oder der sechste Lichtwellenleiter (44) ein Ausgabeende zum Verbinden des sechsten Lichtwellenleiters (44) mit dem ersten oder einem dritten Auswertegerät (70) umfasst.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10), insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, zur Analyse verschiedener Spektralbereiche einer Probe (100), umfassend: eine erste optische Quelle (80) zur Erzeugung eines ersten Lichtpulses, eine zweite optische Quelle (80) zur Erzeugung eines zweiten Lichtpulses, der von dem ersten Lichtpuls verschiedenartig ist, wobei der zweite Lichtpuls ein einen Ramanlichtpuls der Probe anregender Lichtpuls ist, eine Kanüle (20) an einer Probenseite der multispektralen Analysensonde (10) zur Beherbergung von optischen Leitern (30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 45, 46, 48), wobei die Kanüle umfasst: zumindest einen ersten Lichtwellenleiter (34) zum Transport des ersten Lichtpulses zu der Probe und einen zweiten Lichtwellenleiter (36) zum Transport des den einen Ramanlichtpuls der Probe anregenden Lichtpulses zu der Probe, eine Messspitze (24) an der Probenseite der multispektralen Analysensonde (10), wobei die erste optische Quelle (80) und die zweite optische Quelle (80) mit der Kanüle (20) verbunden sind, um die Lichtpulse an die Messspitze (24) zu senden.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Lichtpuls der ersten optischen Quelle (80) und der zweite Lichtpuls der zweiten optischen Quelle (80) im Wesentlichen gleichzeitig oder in einem kurzen Zeitintervall nacheinander über die Kanüle (20) an die Probe (100) abgegeben wird, so dass die Lichtpulse im Wesentlichen auf dasselbe Probenmaterial abgegeben werden.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen ersten Lichtwellenleiter (34) mit einem Quellende, wobei das Quellende des ersten Lichtwellenleiters (34) mit der ersten Lichtquelle (80) verbunden ist und/oder einen zweiten Lichtwellenleiter (36) mit einem Quellende, wobei das Quellende des zweiten Lichtwellenleiters (36) mit der zweiten Lichtquelle (80) verbunden ist.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste optische Quelle (80) eine Fluoreszenzlichtquelle, eine visuelle Lichtquelle, insbesondere eine Halogenlichtquelle oder eine Nahinfrarotlichtquelle ist.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die erste optische Quelle (80) Licht im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 400 nm oder im Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 1200 nm, insbesondere zwischen 700 und 1200 nm, oder im Wellenlängenbereich zwischen 1200 nm und 2200 nm abgibt.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: eine dritte optische Quelle (80) zur Erzeugung eines dritten Lichtpulses, der sowohl von dem ersten Lichtpuls als auch von dem zweiten Lichtpuls verschiedenartig ist, und einen dritten Lichtwellenleiter (38) mit einem Quellende, wobei das Quellende des dritten Lichtwellenleiters (38) mit der dritten Lichtquelle (80) verbunden ist.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der dritte Lichtwellenleiter (38) den dritten Lichtpuls in den Lichtmischer (50) einkoppelt und der erste, der zweite und der dritte Lichtpuls über den gemeinsamen Lichtmischerleiter (45) durch die Kanüle (20) zur Abgabe an die Probe (100) weitergeleitet werden.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in die Kanüle (20) ein vierter Lichtwellenleiter (40) eingesetzt ist, um die Spektralantwort auf den ersten Lichtpuls aus der Kanüle (20) zu leiten, und/oder wobei in die Kanüle (20) ein fünfter Lichtwellenleiter (42) eingesetzt ist, um die Spektralantwort auf den zweiten Lichtpuls aus der Kanüle (20) zu leiten, und/oder wobei in die Kanüle (20) ein sechster Lichtwellenleiter (44) eingesetzt ist, um die Spektralantwort auf den dritten Lichtpuls aus der Kanüle (20) zu leiten.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: ein erstes Auswertesystem (70) zur spektralen und/oder fotometrischen Analyse der Spektralantwort auf den ersten Lichtpuls.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das erste Auswertesystem (70) hergerichtet ist, auch eine spektrale und/oder fotometrische Analyse der Spektralantwort auf den zweiten und/oder dritten Lichtpuls auszuführen.
Analysesystem (9) mit einer multispektralen Analysensonde (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lichtwellenleiter (30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 45, 46, 48) faseroptische Leiter, insbesondere Glasfaserleitungen oder Quarzfaserleitungen, umfassen und/oder wobei die Lichtwellenleiter (30, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 45, 46, 48) einen Durchmesser größer gleich 0,05 mm, insbesondere größer gleich 0,1 mm, und/oder einen Durchmesser kleiner gleich 1,0 mm, insbesondere kleiner gleich 0,4 mm, aufweisen.