DD227044A1

DD227044A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung des stoffwechselzustandes von lebenden organen

Info

Publication number: DD227044A1
Application number: DD26829184A
Authority: DD
Inventors: Werner Schramm; Gerhard Grabosch
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1984-10-11
Filing date: 1984-10-11
Publication date: 1985-09-11
Also published as: DD227044B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung des Stoffwechselzustandes von lebenden Organen. Ziel der Erfindung ist es, ein einfach handhabbares Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfuegung zu haben, die es ermoeglicht, den aktuellen Stoffwechselzustand in einem bestimmten Abschnitt eines bewegten Organs zu ermitteln. Aufgabe ist es, den Stoffwechselzustand auf einem Oberflaechenabschnitt eines lebenden Organs durch Auswertung der NADH-Oberflaechenfluoreszenz zu erfassen. Die Aufgabe wird geloest, indem zwischen dem Organ und lichtelektrischen Empfaengern ein Lichtleitermehrfaserbuendel mit besonderer Anordnung der Fasern im Buendel und mit dem Messproblem speziell angepasster Gestaltung des zum Organ hingewandten Buendelendes verwendet und der Vielzahl der Fasern entsprechend eine lichtelektrische Auswertung durch eine Vielzahl von Empfaengern parallel mittels Mikroprozessor vorgenommen wird. Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Medizin.

Description

"Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung des Stoffwechselzustandes von lebenden Organen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar für die Untersuchung des zellulären Stoffwechselzustandes an der Oberfläche von isolierten oder operativ freigelegten Organen.

Derartige Untersuchungen, z. B· am schlagenden Herz, sind zur Ermittlung von in der Durchblutung gestörten Gebieten von besonderem Interesse·

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist seit langem bekannt, den Stoffwechselzustand von Organen durch Messung der Fluoreszenz des im Organ vorhandenen reduzierten Koenzyms NADH (Nicotinamid-Adenin-Dinucleotid) zu erfassen (IEEE Trans. Bio-Med. Electron 10 (1963) 40). Dabei wurde eine mikroskopartige Anordnung (Mikrofluorimeter) benutzt, um eine punktförmige Messung des Gehaltes an UADH zu erhalten. Heuere Anordnungen werden dadurch charakterisiert, daß statt des Mikroskops Lichtleitfasern, leistungsstarke • Lichtquellen und empfindlichere Nachweisverfahren, gekoppelt mit rechentechnischen Mitteln, verwendet werden. Als Nachteil der bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist zu nennen, daß zur Vermeidung sogenannter Bewegungsartefakte die Faser an das Gewebe angedrückt oder in das Gewebe eingebracht werden muß. Dabei wird die Bewegungsfreiheit des Organs eingeschränkt. Außerdem sind die Messungen nur auf einen Punkt des Gewebes beschränkt.

Von Chance, B. u.a. wird ein Gerät beschrieben (Anolytical Biochemistry 66 (1975) 498), in dem eine verzweigte Lichtleiteranordnung verwendet wird, bei der Zweige mit räumlich auseinanderliegenden Ein- bzw. Austrittsenden zur Gewebe-

probe hin zu einem Lichtleiterbündel zusammengefaßt sind. In einem Zweig wird das Anregungslicht von der UY-Lichtquelle (100 W-Quecksilberdampflampe) zur Probe und im anderen Zweig das aus der Probe stammende Fluoreszenzlicht zum optischen Empfänger übertragen· Bei einer Auslegung des Gerätes als Spektrophotometer wird außer dem Fluoreszenzlicht von der Probe reflektiertes Anregungslicht zusätzlich aus dem Meßzweig ausgekoppelt und zu Korrekturzwecken verwendet· Nachteilig ist bei dem Gerät, daß zur Trennung der optischen Wellenlängen eine mit 30 000 ü/Min umlaufende Filterscheibe verwendet wird, die zu mechanischen Vibrationen Anlaß gibt. Ferner besitzen die Anregungsimpulse eine relativ geringe Lichtintensität was eine hohe Fluoreszenznachweisempfindlichkeit verlangt·

Günstigere Intensitätsverhältnisse erhält man, wenn man zur Erzeugung der W-Anregungsimpulse einen Stickstoffimpulslaser und für Vergleichszwecke einen damit gekoppelten Farbstofflaser verwendet, wie in DE-OS 3210 593 vorgeschlagen wird· Die Strahlung des Stickstofflasers wird gemeinsam mit der Strahlung des Färbstofflasers in eine einzelne Lichtleitfaser eingekoppelt und auf die Probe geschickt. Das rücklaufende Fluoreszenzlicht und der am Gewebe reflektierte Lichtimpuls werden über die gleiche Faser übertragen und müssen durch Anordnung von mehreren Filtern und Teilerplatten ausgekoppelt werden, nachteilig ist dabei der beträchtliche Aufwand an optischen Bauelementen, die genau justiert werden müssen, um 4 verschiedene Lichtimpulse ein- bzw. auszukoppeln ·

Weiterhin ist eine spektrophotometrisehe Meßanordnung zur Bestimmung der Aktivität eines Körperteils bekannt geworden (DE 3019 234 und DE 3313 601), bei der ein erstes Glasfaserbündel vorhanden ist, in welchem ein Teil der Glasfasern der Übertragung des Lichtes der Lichtquelle und ein Teil der Übertragung des Referenzlichtes zum Körperteil dient, und ein zweites Glasfaserbündel zur Übertragung des vom Körperteil reflektierten und gestreuten Lichtes zur Verarbeitungseinheit· Der Abstand zwischen dem Faserbündel für die Liehtzuführung und dem für die Lichtableitung beträgt, durch das

Heßprinzip bedingt, einige cm, weshalb diese Anordnung für die Untersuchung kleiner Meßbereiche nicht eingesetzt werden kann»

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein einfacher handhabbares Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu haben, die bei Vermeidung von mechanisch bewegten !eilen und zahlreichen zu justierenden optischen Bauelementen den aktuellen Stoffwechselzustand in einem bestimmten Abschnitt eines bewegten Organs zu ermitteln gestattet.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stoffwechselzustand auf einem Oberflächenabschnitt eines lebenden Organs durch Auswertung der NADH-Oberflächenfluoreszenz zu erfassen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zwischen den an sich bekannten Impulslichtquellen und dem Organ, sowie zwischen dem Organ und lichtelektrischen Empfängern erfindungsgemäß in einem Abstand zum Organ ein Lichtleitermehrfaserbündel mit besonderer Anordnung der Pasern im Bündel und mit dem Meßproblem speziell angepaßter Gestaltung des zum Organ hingewandten Bündelendes und der Vielzahl der Pasern entsprechend eine lichtelektrische Auswertung durch eine Vielzahl von Empfängern parallel mittels Mikroprozessor vorgenommen wird. Im einfachsten Pail enthält das Lichtleitermehrfaserbündel je eine Paser pro Signalweg. Günstiger ist es jedoch, wenn für die Gewinnung der Meßsignale mehrere !faserenden pro Signalweg zur Verfügung stehen. Dabei sind in der Meßsonde die lichtemittierenden Faserenden in der Mitte und die die Meßsignale aufnehmenden Faserenden um die erst er en herum angeordnet· Pur einen ausgedehnteren Organabschnitt ist es zweckmäßig, mehrere derartig aufgebaute Meßsonden in einem Meßkopf zu vereinen·

Eine andere erfindungsgemäße Ausbildung des Meßkopfes sieht vor, daß die Faserenden auf einer Halbkugelfläche liegen derart, daß sich die lichtemittierenden Paserenden in der

oberen Mitte der Halbkugelfläche befinden und die Eintrittsfenster für die die Meßsignale übertragenden Pasern über die Halbkugelflache verteilt angeordnet sind· Dabei können letztere nach Wellenlänge oder Streuwinkel in bestimmten Gruppen oder gemischt angeordnet sein· Es ist vorteilhaft, wenn selektiv für bestimmte Wellenlängen Pasern unterschiedlichen Materials verwendet werden. Die die Meßimpulse übertragenden Pasern führen zu lichtelektronischen Empfängeranordnungen, die die Meßimpulse der einzelnen Pasern oder von Pasergruppen in elektrische Signale umsetzen· Der Impulsbetrieb der Laser als auch die Abfrage der Meßsignale wird von einem Mikroprozessor gesteuert, der die Umwandlung der Meßsignale über einen schnellen Analog/Digitalwandler in Digitalwerte, ihre Ablage in einen Speicher, eine rechnerische Verarbeitung und anwendergerechte Ausgabe gewährleistet.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Ausführungsbeispiel

In den zugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 den Anschluß eines verzweigten Mehrfaserbündels an die Impulslaser und die Empfanger,

Pig· 2 eine Anordnung der Pasern im Mehrfaserbündel, Pig· 3 eine Anordnung mehrerer Mehrfaserbündel nebeneinander,

Pig· 4 eine Anordnung der Endflächen eines Mehrfaserbündels auf einer Halbkugelfläche (in Schnittdarstellung),

Fig. 5 das Blockschaltbild einer Auswerteelektronik zur Bestimmung zeitlich und räumlich gemittelter Stoffwechsel· parameter·

Bei der in Pig. 1 dargestellten Anordnung bezeichnet 1 ein verzweigtes Lichtleitermehrfaserbündel mit den Lichtwegen 1 a bis 1 e, das aus einem Abstand auf die Oberfläche eines Organs 2 gerichtet ist· Der Lichtstrahl 3 eines Stickstoffimpulslasers 4 wird durch eine Teilerplatte 5 in zwei Teilstrahlen 6 und 7 aufgeteilt. Der Strahl 7 dient zum Pumpen eines Färbstofflasers 8, dessen Lichtimpuls 9 mittels einer Optik auf einen Lichtweg 1 a gegeben wird· Der Teilstrahl 6 wird in ähnlicher Weise über die Optik 11 auf den Lichtweg 1 b gegeben. Die Pasern 1 a und 1 b übertragen den Anregungslichtimpuls bzw· den Yergleichslichtimpuls zum Organ· Die Lichtwege 1 c, 1 d und 1 e übertragen die Meßlichtimpulse vom Organ zu den jeweiligen lichtelektrischen Empfängern 12, 13 und 14, die eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit besitzen. So soll z· B· 12 für das reflektierte Anregungslicht von 337 nm, 13 für das reflektierte Yergleichslicht von 586 nm und 14 für das Fluoreszenzlicht von 465 nm empfindlich sein· Diese Selektivität kann durch vorgeschaltete Filter oder die Wahl entsprechender Photodioden erreicht werden.

Es ist vorteilhaft, Pasern unterschiedlicher Übertragungscharakteristik, wie z. B. Quarzglasfasern für 337 nm und organische Pasern für 465 nm und 586 nm zu verwenden, um die Beeinträchtigung der Empfänger 12 und 13 durch eingekoppeltes Anregungslicht zu vermeiden·

Figur 2 zeigt die Endfläche eines Mehrfaserbündels, wobei gezeigt wird, daß die Lichtwege 1 a bis 1 e aus einer unterschiedlichen Zahl von Lichtleitfasern aufgebaut sein können und eine Anordnung der Pasern der Lichtwege1 c, 1 d und 1 e zur Aufnahme der Meßimpulse um die Fasern des Lichtweges 1 a oder die Faser des Lichtweges 1 b wegen der sich überlappenden Austritts- und Eintrittskegel des Lichtes zweckmäßig ist.

In Figur 3 ist angedeutet, daß ^e nach Größe der zu untersuchenden Fläche des Organs mehrere Mehrfaserbündel, wie z.B. hier 3 Mehrfaserbündel, parallel auf das Organ gerichtet sein können·

Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der die' Endflächen der Lichtleitfasern auf der Fläche einer Streuhalbkugel 15 angeordnet sind. Dabei ist es zweckmäßig das Anregungslicht (Lichtweg 1 b) und das Vergleichslicht (Lichtweg 1 a) oben _tin der Mitte der Halbkugel zuzuführen· Die Endflächen der Fasern für die Lichtwege 1 c bis 1 e sind in gemischter Anordnung über die Halbkugelfläche verteilt· Damit kann ein großer Anteil der Lichtstreuung erfaßt werden. Für die Auswertung der Lichtimpulse kann man alle Fasern einer Lichtart, z.B. des Lichtweges 1 c auf dem jeweiligen Empfänger, ZoB· einen Sekundärelektronenvervielfacher SEV geben· Eine detaillierte Auswertung erhält man, wenn wie in Fig. 5 angedeutet, jeder Faser des Bündels ein lichtelektrischer Sensor z.B. einer Photodiodenmatris: 17 zugeordnet ist und die elektrischen Signale der Meßimpulse durch einen Analog/Digitalwandler 18 in Digitalwerte umgesetzt, in einen Speicher 19 abgelegt und mit einem Mikroprozessor 16 weiterverarbeitet werden· Dann ist es möglich, mit Hilfe dieses Mikroprozessors zeitlich und räumlich gemittelte Intensitätsverteilungen des HADH zu berechnen· Das ist besonders zweckmäßig bei der untersuchung lebender Organe, wo zur Vermeidung eines Bewegungsartefaktes eine hohe Folgefrequenz der Laserimpulse verwendet wird und eine bestimmte Anzahl Impulse pro Abschnitt des Bewegungsablaufes ausgewertet wird.

Claims

Erfindungsanspruch

1· Verfahren zur Ermittlung des Stoffwechselzustandes von lebenden Organen mittels impulsförmiger Belichtung des Organs durch einen UV-Irapulslaser und einen mit diesem gekoppelten Farbstofflaser sowie mit Hilfe von lichtelektrischen Empfängern für UV-Licht, Färbstofflaser-Vergleichslicht, Fluoreszenzlicht und Auswerteelektr onik mit Verhältnisbildung für diese Lichtimpulse, gekennzeichnet dadurch, daß ein verzweigtes Lichtleitermehrfaserbündel aus einem Abstand auf den zu untersuchenden Organabschnitt gerichtet wird, wobei dieser im gleichen Zeitbereich mit einer Impulsfolge von Anregungs- und Vergleichslichtimpulsen unterschiedlicher Wellenlänge bestrahlt wird und die vom Organabschnitt rückgestreuten Meßsignale unterschiedlicher Wellenlänge parallel übertragen, IJi elektrische Signale umgewandelt und von einem Mikroprozessor weiter verarbeitet werden·

2. Vorrichtung zur Ermittlung des Stoffwechselzustandes von lebenden Organen mittels impulsförmiger Belichtung des Organs durch einen UV-Impulslaser und einen mit diesem gekoppelten Farbstofflaser sowie mit Hilfe von lichtelektrischen Empfängern für UV-Licht, Farbstofflaser-Vergleichslicht, Fluoreszenzlicht und Auswerteelektronik mit Verhältnisbildung für diese Lichtimpulse, gekennzeichnet dadurch, daß ein verzweigtes Lichtleitermehrfaserbündel (1) mit jeweils mindestens einer Faser pro Signalweg (Fig. 2) zur optischen Signalübertragung zwischen Fluoreszenzanregungslichtquelle (4) und Vergleichslichtquelle (3) und dem zu bestrahlenden Organabschnitt (2), sowie zwischen dem bestrahlten Organabschnitt (2) und den optischen Empfängern für die Meßsignale des Fluoreszenzlichtes (12) desvom Organabschnitt reflektierten UV-Lichtes (14) und des reflektierten Vergleichslichtes (13) angeordnet ist, wobei das dem Organabschnitt zugekehrte Ende des Lichtleitermehrfaserbündels (1) als Meßsonde kompakt ausgebildet ist.

3". Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß die licht emit tierenden faserenden (1 aj 1 b) in der Mitte und die die Meßsignale aufnehmenden Faserenden (1 cj 1 dj 1 e) um die ersteren herum angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach den Punkten 2 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß mehrere derartig aufgebaute Meßsonden (Pig· 2), die parallel auf einen Qrganabschnitt (2) gerichtet sind, zu einem Meßkopf vereinigt sind (Pig* 3)·

5· Vorrichtung nach den Punkten 2 und 3» gekennzeichnet dadurch, daß die Aus- und Eintrittsonden der Pasern des Mehrfaserbündels der Meßsonde derart auf einer Halbkugelfläche (15) liegen, daß die Laserimpulse von Ατι regungslicht (β) und Vergleichslicht (9) über die Lichtleitfasern (1 a; 1 b) in der oberen Mitte der Halbkugelfläche zugeführt und die Meßimpulse der verschiedenen Lichtwellenlängen aus den gleichmäßig über die Halbkugelfläche verteilten Eintrittsfenstern der Pasern (1 c; 1 d; 1 e) zurückgewonnen werden.

6. Vorrichtung nach den Punkten 2, 3 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß die auf der Halbkugelfläche (15) liegenden Eintrittsfenster nach Wellenlänge oder Streuwinkel in bestimmten Gruppen angeordnet oder aber für unterschiedliche Wellenlängen gemischt angeordnet sind«

7» Vorrichtung nach den Punkten 2 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß selektiv für bestimmte Wellenlängen Pasern unterschiedlichen Materials verwendet werden.

8. Vorrichtung nach den Punkten 2 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Pasern ( 1 cj 1 d; 1 e) für die Meßimpulse zu lichtelektrischen Empfängeranordnungen (12; 13» H) führen, die die Meßimpulse einzelner Pasern oder von Pasergruppen in elektrische Signale umsetzen.

Vorrichtung nach, den Punkten 2 bis 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Auswertung der Meßimpulse von einem Mikroprozessor (16) vorgenommen wird, der den Impulsbetrieb der Laser (4; 8), die Abfrage der Meßsignale der Lichtleiter (1 c; 1 d; 1 e) durch eine Photoempfängeranordnung (17), ihre Umsetzung über den Analog/Digitalwandler (18) in Digitalwerte, ihre Ablage im Speicher (19) und eine rechnerische Verarbeitung gewährleistet.