Verfahren zur spektroskopischen Untersuchung von Material eines Tier- oder Menschenkörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur spektrosko- pischen Untersuchung von Material eines Tier- oder Menschenkörpers sowie eine Vorrichtung zur Durchfüh rung des Verfahrens.
Der Wert der Spektroskopie, insbesondere der Infra rot-Spektroskopie in der medizinischen Forschung und
Diagnostik ist allgemein bekannt. Allerdings müssen zu messende Objekte, wie beispielsweise Gewebe, Flüssig keiten oder dergleichen einem Messinstrument zugeführt werden, d. h. einem Tier- oder Menschenkörper ent nommen werden, um eine Messung durchführen zu können. Der Nachteil hierbei ist also, dass man das
Messobjekt aus dem Körper entnehmen muss, wodurch nicht mehr die im Körper herrschenden Verhältnisse vorliegen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Entnahme aus dem Tier- oder Menschenkörper und ein Präparie ren eines zu messenden Objektes und Eingeben in ein Messinstrument zeitraubend und umständlich sind. Eine spektroskopische Untersuchung bzw. Messung an noch im Körper befindlichen Objekt bzw. im Körper befindli cher Substanz ist daher anzustreben.
Es ist bereits bekannt, wie beispielsweise die Ober flächeneigenschaften von plastischen Filmen oder von
Gläsern spektroskopisch bestimmt werden können. Die spektroskopische Bestimmung kann hierbei bekanntlich mittels einer Absorptions-Totalreflexions-Spektroskopie auf der Grundlage der verminderten Totalreflexion durchgeführt werden. Diese Spektroskopie, im folgenden kurz mit ATR-Spektroskopie bezeichnet, beruht darauf, dass bei einem beispielsweise für infrarote Lichtstrahlen durchlässigen Prisma ein Lichtstrahl, welcher angenä hert unter dem Grenzwinkel der Totalreflexion das
Prisma durchlaufend auf eine Prismengrenzfläche auf trifft, bis zu einer gewissen Tiefe und zwar einem
Bruchteil einer Wellenlänge des auf die Grenzfläche auftreffenden Lichtstrahles in das an die Grenzfläche angrenzende Medium eintritt.
Voraussetzung hierfür ist, dass der Brechungsindex des an die Grenzfläche angrenzenden Mediums kleiner als derjenige des Prismas ist.
Der Bruchteil des Lichtes wird in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Mediums bzw. der Oberfläche desselben in dasselbe eintreten und von dem Medium absor- biert werden. Der auf diese Weise dem an der Grenzfläche des Prismas total reflektierten Lichtstrahl fehlende, von dem Medium absorbierte Anteil kann dann in dem reflektierten Lichtstrahl mittels geeigneter Detektoren gemessen werden. Man kann auch sagen, dass die Absorption von dem total reflektierten Lichtstrahl mitgeführt wird.
Setzt man ein beispielsweise infrarote Lichtstrahlen durchlassendes Prisma mit einer Grenzfläche, an der Totalreflexion bzw. angenähert Totalreflexion erzeugt wird, auf die Oberfläche eines plastischen Films, so kann man auf diese Weise die Infrarotabsorption der Oberfläche des Films ermitteln und aus den Messwerten Rückschlüsse auf die Oberflächeneigenschaften des Films ziehen. Es ist auch bekannt, dass die Empfindlichkeit dieser Methode beispielsweise durch mehrfache Reflexion des Lichtstrahls in einem Vielfachreflexionsprisma gesteigert werden kann. Der Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass aufgrund der grossen Abtastorgane vorzugsweise eine entsprechend grosse Oberfläche bzw. Menge des zu messenden Objektes zur Verfügung stehen muss.
Ausserdem kann mit dieser bekannten Methode nur die Oberfläche eines Materials, die mit der umgebenden Atmosphäre in Berührung steht, erfasst werden. Will man beispielsweise aber im Innern eines Tier- oder Menschenkörpers messen, so versagt diese Methode aus den vorgenannten Gründen.
Das zum Messen notwendige Abtastorgan kann infolge seiner Grösse nicht an die im Innern von Tier- oder Menschenkörpem liegenden Objekte herangebracht werden, es sei denn, man legt beispielsweise das zu messende Objekt aus dem Körper frei oder entnimmt es demselben. Da dieses nicht immer möglich ist, wenn beispielsweise nur kleine Mengen des Materials vorliegen oder ein Freilegen des Materials nicht möglich oder gewünscht ist, so kann dieses Verfahren nicht verwendet werden.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend aufgezeigten Nachteile der bisher bekannten spektroskopischen Verfahren zur Untersuchung Ibzw.
Messung von Material des Tier- oder Menschenkörpers zu beseitigen und ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen spektroskopische Untersuchungen im Innern des Tier- oder Menschenkörpers durchgeführt werden können.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur spektfoskopi- schen Untersuchung von Material eines Tier- oder Menschenkörpers ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Lichtstrahl eine in den Körper eingeführte, für Licht strahlen durchlässige Sonde durchläuft und dabei mehrfach aufeinanderfolgend angenähert unter dem Grenz winkel der Totalreflexion auf mindestens eine Grenz fläche der Sonde gegen das Material fällt und an der
Grenzfläche unter verminderter Totalreflexion reflek tiert wird und die von den optischen Eigenschaften des Materials abhängige Verminderung der Totalreflexion durch Messung der Intensität des aus der Sonde wieder austretenden Lichtstrahls gemessen wird.
Die Sonde zur Durchführung des erfindungsgemäs sen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein für
Lichtstrahlen durchlässiger, in das zu untersuchende
Material einzubringender Fühler sowie ein an diesen angeschlossener Lichtleiter vorgesehen sind.
Die spektroskopische Sonde kann mit einem Prisma ausgerüstet sein, welches für infrarote Lichtstrahlen durchlässig ist, beispielsweise einem Gerrnanium-Prisma oder einem Prisma aus infrarotdurchlässigem Glas.
In einer Ausführungsform der Sonde kann der
Lichtleiter ein Metallrohr sein, welches vorzugsweise eine reflektierende innere Mantelfläche besitzt und aus Aluminium bestehen kann. Für besondere Zwecke, beispielsweise für spektroskopische Messungen an schwer zugänglichen Stellen im Innern eines Körpers kann der Lichtleiter aus einem biegsamen Material, beispielsweise aus Glasfaseroptik bestehen. Der Fühler kann ein Vielfachreflexionsprisma sein, dessen Quer schnitt bis zu 1,00 mm, vorzugsweise 0,50 mm betragen kann. Der Lichtleiter und das Vielfachreflexionsprisma sind vorzugsweise, in Richtung ihrer Längsachsen gese hen, miteinander in optischem Kontakt.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von illustrier ten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine spektroskopische Sonde in schematischer Darstellung im Längsschnitt und
Fig. 2 eine Variante eines Fühlers in schematischer Darstellung im Längsschnitt.
Gemäss Fig. 1 enthält eine spektroskopische Sonde 1 als Fühler ein Vielfachreflexionsprisma 2 mit Grenzflächen 3, 4, 5 und 7, wobei, im Längsschnitt gesehen, die Grenzflächen 3 und 7 von den Grenzflächen 4-und 5 abgewinkelt als Dachkanten zueinanderlaufen und sehr viel kürzer ausgebildet sind als die Grenzflächen 4 und 5, sodass ein langgestrecktes Dachkantenpnsma vorliegt.
Auf der den Grenzflächen 3 und 7 abgewandten Seite des Vielfachreflexionsprismas 2 ist quer zu den Grenz- flächen 4 und 5 eine Lichtstrahlen reflektierende Abschlussfläche 6 vorgesehen. Das Vielfachreflexionsprisma 2 ist an seinem die Grenzflächen 3 und 7 aufweisenden Ende mit einem Ende eines rohrförmigen Lichtleiters 8 verbunden, sodass sich eine Sonde mit einer für den rohrförmigen Lichtleiter 8 und das Vielfachreflexionsprisma 2 gemeinsamen Längsachse 10 ergibt. Eine Innenfläche 9 des Lichtleiters 8 ist derart ausgeführt, dass Lichtstrahlen an derselben reflektiert werden. An dem von den Grenzflächen 3 und 7 abgewandten Ende des Vielfachreflexionsprismas 2 weist die spektroskopische Sonde 1 eine Spitze 11 auf, damit sie leichter in einen Körper eingeführt werden kann.
An dem von den Grenzflächen 3 und 7 abgewandten Ende des Lichtleiters 8 steht die spektroskopische Sonde 1 mit einer Lichtquelle und einem entsprechenden Detektor (beide nicht gezeigt) eines Spektrographen 12, der ein Zweistrahlspektrograph sein kann, in Verbindung.
Die in Fig. 1 gezeigte spektroskopische Sonde 1 funktioniert nun wie folgt. Ein aus dem Spektrographen 12 austretender Lichtstrahl 14 (durchgezogene Linie) tritt in den Lichtleiter 8 ein, in welchem er bis an die Grenzfläche 3 des Vielfachreflexionsprismas 2 durch gegebenenfalls mehrfache Reflexion an der Innenfläche 9 des Lichtleiters 8 geleitet wird. Die Grenzfläche 3 des Vielfachreflexionsprismas 2 ist gegenüber der angrenzenden Grenzfläche 4 mit einem solchen Winkel angeschliffen und der Lichtstrahl 14 wird in den Lichtleiter 8 unter einem derartigen Winkel ein gestrahlt bzw. an der Innenfläche 9 des Lichtleiters 8 derart reflektiert, dass durch entsprechende Brechung des von dem Lichtleiter 8 herkommenden Lichtstrahles 14 an der Grenzfläche 3 an den Grenzflächen 4 und 5 für den Lichtstrahl 14 angenähert der Grenzwinkel der Totalreflexion erzeugt wird.
Nach mehrfacher Reflexion an den Grenzflächen 4 und 5 wird der Lichtstrahl 14 schliesslich an der Abschlussfläche 6 derart reflektiert, dass er als Lichtstrahl 13 (durchbrochene Linie) symmetrisch zu dem auf die Abschlussfläche 6 einfallenden Lichtstrahl 14 zurückgeworfen wird. Der Lichtstrahl 13 durchläuft in gegenläufiger Richtung zum Lichtstrahl 14 unter ebenfalls mehrfacher Reflexion an den Grenzflächen 4 und 5, entsprechender Brechung an der Grenzfläche 7 des Vielfachrefiexionspn.smas 2 und weiterhin gegebenenfalls mehrfacher Reflexion an der Innenfläche 9 des Lichtleiters 8 das Vielfachreflexionsprisma 2 und den Lichtleiter 8 und verlässt den letzteren schliesslich symmetrisch zum einfallenden Lichtstrahl 14.
Der Lichtstrahl 13 gelangt in den Spektrographen, in welchem er von dem Detektor registriert wird (beides nicht gezeigt).
Grenzt nun an die Grenzflächen 4 und bzw. oder 5 des Vielfachreflexionsprismas 2 ein Material, dessen Brechungskoeffizient kleiner als derjenige des Vielfachreflexionsprismas 2 ist, so wird an den Stellen der angenäherten Totalreflexion an den Grenzflächen 4 und 5 der Lichtstrahl zu einem Bruchteil der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes in das angrenzende Material eindringen und entsprechend den Eigenschaften des Materials absorbiert werden. Der um den Betrag der Absorption verminderte Lichtstrahl 14 und bzw. oder der l¯ichtstrahl 13 gelangen nach Austritt aus dem Lichtleiter 8 in den Spektrographen 12, in welchem die Absorption gemessen wird.
Gemäss Fig. 2 ist es aber auch möglich den Grenzwinkel der Totalreflexion in einem Vielfachreflexionsprisma 15 mit den Grenzflächen 16, 17, 18 und 20 und einer quer zu den Grenzflächen 17 und 18 angeordneten Abschlussfläche 19 dadurch zu erzeugen, dass ein Lichtstrahl 23 (durchgezogene Linie) bereits unter dem Winkel der Totalreflexion bzw. angenähert unter dem Winkel der Totalreflexion von einem Lichtleiter (nicht gezeigt) herkommend auf die Grenzfläche 16 auftrifft. Im vorliegenden Falle trifft der Lichtstrahl 23 auf die entsprechend angeschllffene Grenzfläche 16 des Vieifachrefiexionsprismas 15 senkrecht auf und gelangt ohne Brechung an der Grenzfläche 16 in das Vielfachre flexionsprisma 15.
Der Lichtstrahl 23 verläuft also bereits vor dem Durchtritt durch die Grenzfläche 16 unter dem Winkel der Totalreflexion gegenüber der Grenzfläche 18 und gelangt nach Durchtritt durch die Grenzfläche 16 und nach mehrfacher Reflexion an den Grenzflächen 17 und 18 an die Abschlussfläche 19, von welcher der Lichtstrahl 23 reflektiert wird. Als Lichtstrahl 24 (durchbrochene Linie) tritt das Licht nach mehrfacher Reflexion an der Grenzfläche 20 aus dem Vielfachreflexionsprisma 15 wieder aus. Wenn die Grenzflächen 17 und 18 an ein Material grenzen, dessen Brechnungskoeffizient kleiner als derjenige des Prismas ist, wird eine verminderte Totalreflexion an diesen Grenzflächen 17 und 18 auftreten. Die Sonde der Fig. 2 besitzt weiterhin eine Spitze 21 zum besseren Einführen derselben in einen Körper.
Die Grenzflächen 16 und 20 sind wiederum derart angeschliffen, dass sich ein langgestrecktes Dachkantenprisma mit einer parallel zu den Grenzflächen 17 und 18 verlaufenden Längsachse 22 ergibt.
Es sind auch andere Ausführungsformen der erfindungsgemässen Sonde möglich. So kann der Fühler anstatt als Vielfachreflexionsprisma 2 oder 15 der Fig. 1 bzw. 2 auch zylindrisch ausgebildet und an den Stirnflächen des Zylinders entsprechend angeschliffen sein.
Auch ist es möglich, die erfindungsgemässe Sonde für gewisse Einsatzzwecke zum Einführen in den Körper beispielsweise an ihrem vorderen Ende mit abgerundeten Kanten oder rund anstatt spitz auszuführen.