DE10119615A1

DE10119615A1 - Medical investigation of the blood micro-circulation in living organisms using a video-capillary microscope and a laser Doppler blood flow measurement system with a common objective for microscope and laser Doppler system

Info

Publication number: DE10119615A1
Application number: DE2001119615
Authority: DE
Inventors: Willfried Kroeger; Jens Alwart
Original assignee: TECHNO TRANS GES ZUR FOERDERUN
Current assignee: TECHNO TRANS GES ZUR FOERDERUN
Priority date: 2001-04-21
Filing date: 2001-04-21
Publication date: 2002-10-24

Abstract

Method for medical examination of the micro- circulation using a video-microscope and a laser (6) Doppler blood flow measurement device that use a common objective (2) for laser transmission, detection of scattered laser light and object imaging. Distance and position changes are determined using video image processing and the laser focus (10) for flow measurement is automatically tracks the objective when it moves as does the optoelectronic receiver (4). An Independent claim is also included for a corresponding arrangement that uses the inventive method.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur medizinischen Befundung der Mikrozirkulation im lebenden Organismus mit Hilfe eines Video-Kapillar-Mikroskops und einer Laser-Doppler-Blutfluss- Messeinrichtung.The invention relates to a method and a device for medical assessment of the microcirculation in the living organism with Using a video capillary microscope and a laser Doppler blood flow Measuring device.

Zur Kapillaroskopie im lebenden Organismus werden Mikroskope mit Videoaufsatz und mit Verstellvorrichtungen mit mindestens drei Freiheitsgraden (x-, y- und z-Richtung) eingesetzt. Die Fokussierung und die Auswahl geeigneter Messobjekte (Kapillaren) erfolgt unter visueller Kontrolle von Hand. Eine bekannte Anordnung ist die Messeinrichtung CAM 1 von KK Technology, England.For capillaroscopy in the living organism, microscopes with video attachments and with adjustment devices with at least three degrees of freedom (x, y and z direction) are used. The focus and the selection of suitable measuring objects (capillaries) is carried out under visual control by hand. A known arrangement is the CAM 1 measuring device from KK Technology, England.

Damit sich blutgefüllte Kapillaren im Bild dunkel herausheben, wird mit inkohärentem grünem oder blauem Licht beleuchtet, welches von den roten Blutkörperchen stark absorbiert wird. Kohärentes, stark fokussiertes rotes oder infrarotes Laserlicht wird hingegen zur Laser-Doppler-Strömungsmessung eingesetzt, da es tiefer in das die Kapillaren umgebende Gewebe eindringt und vom Hämoglobin der roten Blutkörperchen stark zurückgestreut wird.So that blood-filled capillaries stand out dark in the picture, use incoherent green or blue light illuminated by the red Blood cells is strongly absorbed. Coherent, highly focused red or infrared laser light, on the other hand, becomes a laser Doppler flow measurement used because it penetrates deeper into the tissue surrounding the capillaries and is heavily scattered back by the hemoglobin of the red blood cells.

Der Anwender traversiert das Mikroskop oder zumindest dessen Objektiv so, dass der zu untersuchende aufsteigende oder abfallende Ast einer einzelnen Kapillare vom Laserfokus getroffen wird. Da das zu untersuchende Gewebe nicht unmittelbar an der Messstelle fixiert werden kann ohne die Mikrozirkulation zu stören, treten in der Regel Eigenbewegungen des Messobjektes in Relation zum Mikroskop auf. Für die Dauer der Laser-Doppler- Blutflussmessung ist darum eine ständige Kontrolle des Messortes und erforderlichenfalls eine Nachführung der Optik durch den Bediener notwendig. Diese u. U. anstrengende und nur bei ausreichender Übung zu bewerkstelligende Aufgabe soll erfindungsgemäß automatisiert werden, um den Bediener zu entlasten und den Messprozess effektiver zu gestalten. The user traverses the microscope or at least its lens in such a way that the ascending or descending branch of an individual to be examined Capillary is hit by the laser focus. Because the tissue to be examined cannot be fixed directly at the measuring point without the Disrupting microcirculation usually occurs in the body's own movements Target in relation to the microscope. For the duration of the laser Doppler Blood flow measurement is therefore a constant control of the measurement site and if necessary, the operator must adjust the optics. This u. U. exhausting and only with sufficient exercise accomplishing task is to be automated according to the invention in order to Relieve the operator and make the measuring process more effective.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine teilautomatisierte medizinische Befundung der Mikrozirkulation im lebenden Organismus, insbesondere im menschlichen oder tierischen Hautgewebe zu ermöglichen. Dadurch soll der Bediener entlastet und der Messprozess effektiver gestaltet werden.The aim of the invention is a semi-automated medical Finding the microcirculation in the living organism, especially in the to enable human or animal skin tissue. This is supposed to Relieves the operator and the measuring process can be made more effective.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, Beeinträchtigungen des optischen Messvorganges durch Eigenbewegungen des zu untersuchenden lebenden Organismus zu minimieren, indem die abbildende Optik der Messstelle automatisch nachgeführt wird. Insbesondere für die Laser-Doppler- Blutflussmessung an einzelnen Kapillaren ist sicherzustellen, dass der Laserstrahl ständig auf die Kapillare fokussiert ist.The object of the invention is to impair the optical Measuring process by own movements of the living to be examined Minimize organism by the imaging optics of the measuring point is automatically updated. Especially for the laser Doppler Blood flow measurement on individual capillaries must be ensured that the Laser beam is constantly focused on the capillary.

Es ist üblich, die Beleuchtung und Abbildung der Kapillaren in einem Video- Kapillar-Mikroskop mit inkohärentem Licht im Wellenlängenbereich λ1. . .λ2 = 400. . .500 nm (blau-grün) und die Laser-Doppler-Blutflussmessung mit einem fokussierten Laserstrahl der Wellenlänge λ3 im Bereich 600. . .800 nm (rot. . .infrarot) durchzuführen.It is common to illuminate and image the capillaries in a video Capillary microscope with incoherent light in the wavelength range λ1. , .λ2 = 400.. .500 nm (blue-green) and the laser Doppler blood flow measurement with one focused laser beam of wavelength λ3 in the range 600.. .800 nm (red... infrared).

Erfindungsgemäß wird der Laserstrahl vom Objektiv versetzt zur Strahlenachse des Mikroskops so in den Fokuspunkt geführt, dass bei einer Abstandsänderung zwischen Objektiv und Messobjekt eine laterale Verschiebung des Kamera-Abbildes des Laserauftreffpunktes zur Strahlenachse bewirkt wird.According to the invention, the laser beam is shifted from the objective to the beam axis of the microscope in such a way that in the case of a Distance change between lens and target a lateral Shift of the camera image of the laser impact point to Beam axis is effected.

Mit einer Farbkamera und einer nachfolgenden Bildauswertung wird die laterale Verschiebung des Bildmusters im blaugrünen Bereich (x-/y-Verschiebung) und des roten Laserauftreffpunktes die Fokusabweichung (z-Verschiebung) erfasst und in einem Rechner ausgewertet. Auf der Basis eines Regelalgorithmus für zeitdiskret abgetastete Systeme werden die Verfahrwege für die x-, y- und z- Positionierung des Mikroskopobjektivs errechnet und an die entsprechenden Positioniereinrichtungen ausgegeben, so dass der Laserfokus wieder auf die beabsichtigte Position am Messobjekt zurückgeführt wird.With a color camera and a subsequent image evaluation, the lateral Shift the image pattern in the blue-green area (x / y shift) and of the red laser impingement point recorded the focus deviation (z shift) and evaluated in a computer. Based on a control algorithm for Systems discrete-time scanned are the travel paths for the x-, y- and z- Positioning of the microscope objective is calculated and sent to the corresponding Positioning devices issued so that the laser focus back on the intended position on the measurement object is returned.

Anstelle einer Farbkamera kann auch eine Schwarz/Weiß-Kamera verwendet werden, wenn die Bildkomponenten zeitmultiplex durch Verwendung einer gepulsten Beleuchtung erfasst werden. Instead of a color camera, a black and white camera can also be used if the image components are time-division multiplexed by using a pulsed lighting can be detected.

Ein auf die Fokusposition ausgerichteter optoelektronischer Empfänger liefert ein Dopplersignal, aus dem der Zeitverlauf der Blutflussgeschwindigkeit an diesem Punkt durch Frequenzanalyse ermittelt wird.An optoelectronic receiver aligned with the focus position delivers a Doppler signal from which the time course of the blood flow rate is indicated this point is determined by frequency analysis.

Die vom Rechner digitalisierten Bilder können als Videosequenz gespeichert werden, um sie zusätzlichen Auswerteprozeduren zuzuführen, wie z. B. der Ermittlung der Kapillardichte, des Torquierungsgrades und der Kapillardurchmesser.The images digitized by the computer can be saved as a video sequence to add additional evaluation procedures, such as. B. the Determination of the capillary density, the degree of torque and the Capillary diameter.

Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Video- Kapillar-Mikroskop mit folgenden Merkmalen:
The device for performing the method consists of a video capillary microscope with the following features:

- The microscope objective is corrected to infinity and has a large one Aperture opening, so that there are sufficiently large lateral displacements Lens can be executed and captured without distortion can.
- The laser and the video camera point in their optical axes up to Main plane of the lens on a parallel offset.
- The laser Doppler arrangement is connected to the via a dichroic mirror Camera beam path coupled.

An einem Ausführungsbeispiel wird der funktionelle Aufbau eines Video- Kapillar-Mikroskop dargestellt.The functional structure of a video Capillary microscope shown.

Das Video-Kapillar-Mikroskop besteht im wesentlichen aus dem Tubus 1 mit Okular 3 und Objektiv 2. Am Tubus 1 ist der Laser-Doppler-Empfänger 4 und die Video-Farbkamera 5 angeordnet. Der Strahlengang des Lasers 6 ist parallel zum optischen Strahlengang über den dichroitischen Spiegel 7 eingekoppelt. Der optische Strahlengang wird über einen teilweise lichtdurchlässigen oder abklappbaren Spiegel 8 zum Okular 3 und/oder der Video-Farbkamera 5 geführt.The video capillary microscope essentially consists of tube 1 with eyepiece 3 and objective 2 . The laser Doppler receiver 4 and the video color camera 5 are arranged on the tube 1 . The beam path of the laser 6 is coupled in parallel to the optical beam path via the dichroic mirror 7 . The optical beam path is guided via a partially translucent or hinged mirror 8 to the eyepiece 3 and / or the video color camera 5 .

Die Parallelführung des optischen und Laserstrahlenganges erfolgt bis zur Hauptebene (13) des Objektives 2. Hier erfolgt die gemeinsame Fokussierung auf das Objekt 9. The optical and laser beam path are guided in parallel up to the main plane ( 13 ) of the objective 2 . This is where the focus is on object 9 .

Bei einer optimalen Fokussierung des Laserstrahles 11 und einer optimalen Justage des optischen Strahlenganges 12 erscheint der Fokuspunkt 10, wie in der Einzelheit "A" dargestellt, vorzugsweise in der Bildmitte. Kommt es zur Abstandsänderung in der z-Richtung, so wandert der Fokuspunkt 10 des Laserstrahles 11 aus der optischen Mittenachse aus. Die Einzelheit "B" zeigt diese Situation. Durch Auswertung des Laserlicht-Anteils des Kamerabildes wird diese Fokusverschiebung erfasst und über einen Rechner in Steuerimpulse umgesetzt, die über feinfühlige Steuerglieder eine erneute Fokussierung des Lasers auf die Oberfläche des zu untersuchenden Gewebes bewirken. Die Nachführung des Objektivs 2 gegenüber dem Objekt 9 in drei Achsen erfolgt vorzugsweise mittels einer Hexapodlagerung, die zwischen dem Tubus 1 und Objektiv 2 angeordnet ist. Die Ansteuerung dieses Hexapods erfolgt durch die vom Rechner ermittelten Steuerimpulse.With an optimal focusing of the laser beam 11 and an optimal adjustment of the optical beam path 12 , the focus point 10 appears , as shown in detail "A", preferably in the center of the image. If there is a change in distance in the z direction, the focal point 10 of the laser beam 11 migrates out of the optical center axis. The detail "B" shows this situation. By evaluating the laser light portion of the camera image, this focus shift is detected and converted into control pulses via a computer, which use sensitive control elements to re-focus the laser on the surface of the tissue to be examined. The tracking of the lens 2 with respect to the object 9 in three axes is preferably carried out by means of a hexapod bearing, which is arranged between the tube 1 and the lens 2 . This hexapod is controlled by the control pulses determined by the computer.

Unabhängig davon wird das Streulicht, das von den bewegten Blutzellen und von dem umgebenden Gewebe ausgeht vom fotoelektrischen Laser-Doppler- Empfänger 4 erfasst. Die Schwankungen der Laser-Lichtintensität werden hier in elektrische Signale gewandelt. Die Frequenz der registrierten Schwankungen ist proportional zur Relativgeschwindigkeit der beleuchteten Blutkörperchen gegenüber dem umgebenden Gewebe. Irrespective of this, the scattered light which emanates from the moving blood cells and from the surrounding tissue is detected by the photoelectric laser Doppler receiver 4 . The fluctuations in the laser light intensity are converted here into electrical signals. The frequency of the registered fluctuations is proportional to the relative speed of the illuminated blood cells compared to the surrounding tissue.

reference numeral

11

Tubus
tube

22

Objektiv
lens

33

Okular
eyepiece

44

Laser-Doppler-Empfänger
Laser Doppler receiver

55

Farbkamera
color camera

66

Laser
laser

77

Dichroitischer Spiegel
Dichroic mirror

88th

Spiegel
mirror

99

Objektträger
slides

1010

Fokuspunkt
focus point

Claims

1. A method for medical diagnosis of the microcirculation with the aid of a video microscope and a laser Doppler blood flow measuring device, characterized in that the imaging of the object and the laser radiation take place jointly through an objective ( 2 ), the laser beam ( 11 ) is offset with respect to the lens axis ( 12 ) up to the main plane ( 13 ) of the lens ( 2 ), so that a change in the distance of the object ( 9 ) from the lens ( 2 ) creates an offset of the image of the laser focus ( 10 ) in the camera image, which, in addition to the lateral displacement of the capillary pattern, is recorded by means of video image processing and is evaluated via the image processing in addition to the x and / y displacement as information about a change in distance (z displacement) and that the objective ( 2 ) corresponds to the object in accordance with this xyz object position change ( 9 ) is automatically tracked so that the optoelectronic receiver ( 4 ) aligned to the laser focus provides a Doppler signal to determine the capillary blood flow rate.

2. The method according to claim 1, characterized in that the object illumination and the laser light differ in wavelength and the xy-position shifts of the object structure and the laser focus ( 10 ) appearing in a different color are separated in the color image processing.

3. The method according to claim 1, characterized in that the object lighting takes place in a pulsed and synchronous manner with every second image recording and the xy-position shifts of the object structure and the constantly appearing laser focus ( 10 ) are separated during image processing.

4. The method according to claim 1, characterized in that the lens ( 2 ) is corrected to infinity.

5. Device for applying the method according to claim 1 using a video capillary microscope, characterized in that the laser ( 6 ), the optical receiver ( 4 ) and the camera ( 5 ) are coupled into the video capillary microscope and the optical axes of the laser beam ( 11 ) have a parallel offset with respect to the beam path ( 12 ) of the optical receiver ( 4 ) and the camera ( 5 ) up to the focal plane ( 13 ) of the objective ( 2 ) and then at a common focal point ( 10 ) open and that electromechanical means are provided for tracking the lens ( 2 ) in 3 axes.

6. Device according to claim 5, characterized in that the coupling of the laser-Doppler measurement arrangement (4/6) via a dichroic mirror (7).

7. Device according to one of claims 5 and 6, characterized in that a stereomicroscope is provided as the video capillary microscope and the light distribution between the eyepieces ( 3 ) and the camera ( 5 ) and the laser Doppler measuring device ( 4 / 6 ) with partially permeable or foldable mirrors ( 8 ).

8. Device according to claim 5, characterized in that the bearing of the lens ( 2 ) is preferably carried out by means of a hexapod bearing, which is supported on the tube ( 1 ).

9. Device according to claim 5, characterized in that a color camera is provided as the video camera ( 5 ).