DE10015480A1 - Vorrichtung zur Durchführung von optischen in vivo-Messungen an der Haut von Lebewesen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung von optischen Messungen an der Oberfläche von Lebewesen, deren Emissionsstrahlung über mindestens einen Lichtwellenleiter erfasst wird. Die Lichtwellenleiter sind auf einer zur Anregungsstelle im wesentlichen zentrischen Fläche (kugelförmiger Halbraum) und auf die Anregungsstelle hin gerichtet angeordnet. Es sind Lichtsignale vorgesehen, die über einen Shutter in einen Detektor mit Signalauswertung einkoppeln. Weiterin ist eine Kühleinrichtung vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung von optischen Messungen an der Oberfläche von Lebewesen, deren Emissionsstrahlung über mindestens einen Lichtwellenleiter erfasst wird.

Bei in vivo-Messungen an der Haut von Lebewesen ist zu berück­ sichtigen, dass es sich hierbei um lebendes Untersuchungs­ material handelt, das einerseits beim Messvorgang schonend behandelt werden sollte und zum anderen, dass durch den Messvorgang nicht Reaktionen im Prüfbereich ausgelöst werden, die die gesuchte Aussage über die Beschaffenheit des Prüflings verfälschen bzw. beeinträchtigen. Wenn also beispielsweise eine Aussage über die Qualität eines Hautschutzmittels durch in vivo-Untersuchen gemacht werden soll, darf die erforderliche Anregungsstrahlung nicht zur Zerstörung des Gewebes führen oder Reaktionen auslösen, die erst über freie Radikale durch die Anregungsstrahlung zu Stande gekommen sind. Beides würde die Aussage der Untersuchungen gravierend verfälschen.

Chemilumineszenzverfahren bieten sich zwar an, um innerhalb einer Probe stattfindende chemische Reaktionen, insbesondere Oxidationsprozesse von außen her durch die ausgesandten Photonen zu detektieren, haben aber in Anwendung auf in vivo- Untersuchungen an der Haut von Lebewesen von Hause aus den gravierenden Nachteil, dass Störeffekte schlecht zu eliminieren sind, wobei Störungen denkbar sind, die in ihrer Gewichtigkeit die eigentlich gesuchten Signale um ein Mehrfaches in ihrer Intensität übertreffen.

Um bei dem vorangeschilderten Beispiel zu bleiben, treten in einer normalerweise nicht behandelten Haut nicht nur Chemilumineszenzeffekte auf, die mit der Schutzwirkung eines Hautschutzmittel überhaupt nichts zu tun haben, sondern auch andere photonenaussendende Effekte könnten bei Messungen miterfasst werden und fälschlicherweise auf Chemilumineszenz­ effekte zurückgeführt werden. Hier ist insbesondere an die natürliche Wärmestrahlung eines Hautstückes zu denken, und würden Photonen, die einzig und allein auf Wärmestrahlung zurückzuführen sind, in das Messergebnis eingehen, so wäre dies deshalb unbrauchbar, weil bei einer in vivo-Messung der Prüfbereich nicht auf eine einheitlich definierte Temperatur gebracht werden kann.

Schließlich ist auch zu berücksichtigen, dass Chemi­ lumineszenzeffekte ohnehin sich nur durch eine verhältnismäßig geringe Anzahl ausgesendeter Photonen bemerkbar machen. Bei in vitro-Messungen könnte man in einem gewissen Grad wohl die Anregungsstrahlung noch erhöhen, bei in vivo-Messungen ist dies deshalb ausgeschlossen, weil dies mit einer Zerstörung des Untersuchungsbereiches einhergeht und dadurch die bereits erwähnten Verfälschungen der Messung zu erwarten sind.

Photoverstärker mit hinreichendem Verstärkungsgrad stehen zur Verfügung, aber auch hier ist im Zusammenhang mit in vivo- Messungen zu berücksichtigen, dass die aufzuspürenden Effekte so gering sind, dass schon die Eigenemission der Kathode und der Dynoden so stark in das Auswertungsergebnis eingehen können, dass keine Aussage über den eigentlichen Effekt mehr möglich ist.

Selbst wenn die Anregungsstrahlung, die für die meisten Messvorgänge erforderlich ist, mit einer relativ geringen Intensität vorgenommen wird, um das Gewebe bzw. den Prüfling allgemein zu schonen, so ist zu berücksichtigen, dass der Prüfling bzw. seine Oberfläche von dem angeregten Zustand in den Normalzustand zeitabhängig abklingt, d. h. dass der Messvorgang selbst möglichst schnell nach der Anregung durchgeführt wird, was entweder erfordert, das die Sonden räumlich in unmittelbarer Nähe zur Einleitungsstelle der Anregungsstrahlung angeordnet werden, oder dass rasche Bewe­ gungen durchgeführt werden, also die Vorrichtung, die die Anregungsstrahlung ausgibt, möglichst schnell entfernt wird und/oder die Messsonde schnell in die Nähe des Anregungsbereichs gebracht wird. Dies jedoch lässt sich nicht ohne weiteres bei in vivo-Messungen verwirklichen.

Die Anregungsstrahlung bringt durch ihren Einsatz besondere Probleme mit sich, weil diese Strahlung nicht zum Eingang der Photovervielfältiger Röhre gelangen darf, da die Strahlung die Eingangskathode zerstören würde oder zumindestens so weit beeinträchtigen würde, dass eine brauchbare Messung ausgeschlossen ist. Hier werden verstellbare Verschlüsse, Shutter genannt, eingesetzt, wobei diese Shutter bewegliche Teile haben, die zudem noch rasch bewegt werden müssen, da, wie bereits ausgeführt, der Abklingvorgang nach der Erregung zeit­ lich rasch abnimmt.

Einige dieser geschilderten Umstände haben nun dazu geführt, dass bislang kein in der Praxis durchführbares Verfahren zur in vivo-Messung von Chemilumineszenzverfahren an der Haut von Lebewesen zur Verfügung stand.

Der in vivo-Chemilumineszenz-Messplatz gemäß der Erfindung zur Messung diffuser Emission von Haut benutzt entweder einen geeigneteren Detektor oder eine Photomultiplierröhre mit CsSb- Photokathode als Detektor und vorzugsweise 18 bzw. 19 Flüssiglichtwellenleiter mit beispielsweise 5 mm Kerndurchmesser zur Strahlungseinkopplung von der Probe in den Detektor. Die spektrale Empfindlichkeit des Systems erstreckt sich über einen Wellenlängenbereich von 250-600 nm. Gemessen werden kann sowohl mit Anregunsstrahlung als auch ohne.

Die Auswertung des Signals bedient sich der digitalen Photonenzähltechnik. Da Signale bis zu wenigen Counts pro Sekunde bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von mindestens drei gemessen werden sollen, wird das hier bevorzugte System mittels Peltierelementen in einer Kühldauer von 90 min auf maximal 3°C gekühlt, gemessen an der Photokathode des Photomultipliers.

Ausgehend von absolut diffuser Emission der Haut entspricht das gemessene Signal knapp 3,5% des emitterten Signals.

Die Größe des fertigen Gerätes einer praktisch ausgeführten Ausführungsform misst 20 × 20 × 80 cm bei einem Gewicht von 12 kg.

Ein Problem, das sich während der Entwicklung herausstellte, war, einen geeigneten Detektorshutter zu bauen, da die kommerziell erhältlichen Shutter für Einkopplung von Strahlung im stumpfen Winkel zur Verschlussfläche nicht lichtdicht waren. Spektrale Selektion ist mittels eines motorisierten, einblätt­ rigen Handshutters nur bedingt möglich, da durch den Abstand der Lichtwellenleiter zur Kathode anordnungsbedingt bei der Einkopplung mit Filter Verluste entstehen.

Die Messergebnisse einer Hautpartie ergaben in einem Anwendungsfall eine eindeutige Abhängigkeit des Abklingverhaltens der Probe von der Dauer der Anregung. Bei Messungen am Unterarm ohne Anregung zeigte sich im Mittel bei einer Dunkelzählrate von 6 cps und einer Dunkelraumrate von 16 cps ein Signal von 22 cps.

Eine Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung von in vivo-Messungen an der Haut von Lebewesen umfasst eine Strahlungsquelle, deren Anregungsstrahlung über einen Flüssiglichtwellenleiter zum Messbereich geleitet wird, eine Mehrzahl von Flüssiglichtleitern auf einer zur Anregungsstelle halbkugelförmigen Bereich tangential und auf die Anregungsstelle hin gerichtet angeordnet sind und Lichtsignale durch einen Shutter in einen Detektor einkoppeln, und eine Temperaturregulierung für den Detektor. Die Endflächen der Lichtwellenleiter sind etwa tangential auf der sich über die Emissionsfläche befindlichen Wölbungsfläche angeordnet, und zwar abstandsmäßig, so dass die auf die Emissionsfläche gerichteten Lichtwellenleiter mit ihrer Akzeptanzfläche die gesamte Emissionsstrahlungsfläche abdecken.

Um Wärmestrahlungseffekte auszuschließen, kann ein Spektral­ filter eingesetzt werden oder aber es wird für die Licht­ wellenleiter ein solches Material eingesetzt, das in der Art eines Spektralfilters wirkt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispiels­ weise erläutert.

Diese zeigt eine schaubildliche Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Im mittleren Teil der Zeichnung ist der Bereich mit den Flüssig­ lichtwellenleitern 10 gezeigt, die zu einem ringförmigen Teil 11 führen, der an seiner unteren Fläche auf die Hautebene aufgesetzt wird. In der Mitte der Lichtwellenleiter befindet sich der Teil 12, der mit der Anregung und einem Shutter zusammenwirkt. Konzentrisch zu diesem Lichtwellenleiter 12 sind mehrere Lichtwellenleiter vorgesehen, in der Figur sind nur vier zu erkennen. Es kann sich hierbei aber beispielsweise um achtzehn bis zwanzig derartiger Lichtwellenleiter handeln.

Im oberen Ende führen die Lichtwellenleiter zu dem Shutter 13 und von dort aus gelangt das Licht über einen Filter 14 in die Photomultiplierröhre 15 (PMT). Die Photomultiplierröhre 15 wird über einen thermischen Regelkreis 16 mit Peltierelementen auf eine niedrige Temperatur gebracht.

Der Ausgang der Photomultiplierröhre 15 führt über einen nicht gezeigten Counter zur elektronischen Datenverarbeitung, die das Messergebnis in gewünschter Form ausgibt und auch für die Betätigung des Shutters 13 herangezogen wird.

Claims (3)

1. Vorrichtung zur Durchführung von optischen Messungen an der Oberfläche von Lebewesen, deren Emissionsstrahlung über mindestens einen Lichtwellenleiter erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter auf einer zur Anregungsstelle im wesentlichen zentrischen Fläche (kugel­ förmiger Halbraum) und auf die Anregungsstelle hin gerichtet angeordnet sind und Lichtsignale über einen Shutter in einen Detektor mit Signalauswertung einkoppeln und eine Kühlein­ richtung vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Spektralfilter zwischen Shutter und Detektor.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter als Spektralfilter dienen.