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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Fluoreszenzstrahlung
an biologischen Substanzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine
Vorrichtung zum Messen von Fluoreszenzstrahlung an biologischen
Substanzen ist beispielsweise aus der
DE-A-42 00 741 bekannt. Das Dokument offenbart
eine Vorrichtung zum Erkennen von Karies an Zähnen, mit
einer Beleuchtungseinheit, die Strahlung im Wellenlängenbereich
von 360 bis 580 nm auf einen Zahn aussendet. Ein Filter lässt die
vom Zahn zurückgesandte Fluoreszenzstrahlung in einem Wellenlängenbereich
größer als 620 nm durch. Die durchgelassene Strahlung
wird zur Karieserkennung ausgewertet.
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Aus
der
DE-A-195 41 686 ist
eine weitere Vorrichtung zum Messen von Fluoreszenzstrahlung bekannt,
bei der eine Lichtquelle Anregungsstrahlung in einem Wellenlängenbereich
zwischen 600 und 670 nm auf einen zu untersuchenden Zahn aussendet.
Die am Zahn angeregte Fluoreszenzstrahlung wird in einem Wellenlängenbereich
zwischen 670 und 800 nm erfasst und ausgewertet.
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Die
bisher bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, dass es bei einer
Untersuchung im Bereich unterschiedlicher oder veränderter
biologischer Substanzen zu ungenauen Ergebnissen kommen kann.
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Der
Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der exaktere Messergebnisse
hinsichtlich der Veränderung oder Abweichungen der Struktur
biologischer Substanzen erhältlich sind. Biologische Substanzen
können körpereigene Substanzen oder prothetische
Werkstoffe sein.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs
1.
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Die
Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass bei einer Vorrichtung
der einleitend beschriebenen Art eine Empfangseinheit eine Halbleitersensorenanordnung
aufweist, in der mindestens drei Sensoren innerhalb einer Fläche
angeordnet sind. Die mindestens drei Sensoren erfassen die an der
biologischen Substanz emittierte Fluoreszenzstrahlung in voneinander
getrennten Wellenlängenbereichen. In der Auswerteeinheit
können verschiedene Datensätze, vorzugsweise in
Form von mehrdimensionalen, vorzugsweise dreidimensionalen Messwerten,
gespeichert sein, wobei die Auswerteeinheit die gemessenen Messwerte
mit den Datensätzen vergleicht und ein Ergebnis hinsichtlich
des krankhaften Befalls untersuchter biologischer Substanzen und/oder
hinsichtlich der Art der untersuchten, biologischen Substanzen ausgibt.
Es können Datensätze von mindestens zwei unterschiedlichen
Referenzmessungen an mindestens zwei unterschiedlichen biologischen Substanzen
in der Auswerteeinheit gespeichert sein. Damit die Auswerteeinheit
ein Ergebnis hinsichtlich der Art der untersuchten, biologischen
Substanzen ausgeben kann, müssen mindestens drei Referenzmessungen
in der Auswerteeinheit gespeichert sein. Das Ergebnis wird von der
Anzeigeeinheit angezeigt. Vorzugsweise sind allerdings drei oder
mehr Referenzmessungen an drei oder mehr unterschiedlichen biologischen
Substanzen vorgesehen.
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Die
Emissions- und Detektionsfasern können sowohl flexible
Lichtleiter als auch Stablinsen in einem Endoskop sein.
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Die
mindestens eine Detektionsfaser kann mit dem proximalen Ende vorzugsweise
zentrisch über der Halbleitersensorenanordnung in einem
Abstand zur Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung
angeordnet sein.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass die verwendeten Sensoren die an
der biologischen Substanz, insbesondere an einem biologischen Gewebe, angeregte
Fluoreszenzstrahlung in drei voneinander getrennten Wellenlängenbereichen
erfassen und eine Auswerteeinheit diese auswertet.
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Im
bisherigen Stand der Technik werden Verhältnisse der Messsignale
der einzelnen Sensoren verwendet um ein Ergebnis hinsichtlich des
krankhaften Befalls untersuchter biologischer Substanzen ausgeben
zu können. Verhältnisse der Messsignale der einzelnen
Sensoren können jedoch nur lineare Kurvenverläufe
abbilden. Gespeicherte Referenzmessungen können auch nichtlineare
Kurvenverläufe beschreiben und somit innerhalb eines großen
Dynamikbereichs exakte Aussagen liefern.
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Mehr
als zwei Referenzmessungen erlauben es ein breiteres Spektrum verschiedener
möglicher Substanzen zu berücksichtigen. So haben
z. B. körpereigene Substanzen und prothetische Werkstoffe unterschiedliche,
optische Signaturen, wie z. B. die Fluoreszenzspektren der Substanzen,
die jedoch bei manchen diagnostischen Fragestellungen gleich bewertet
werden sollen.
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Die
Hinterlegung von mindestens drei Referenzdatensätzen erlaubt
eine differenzierte, diagnostische Aussage über die Art
der untersuchten Substanz.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Erkennen
von bakteriellem Befall an Zähnen verwendet werden. Aufgrund
der Vielzahl der im Mund vorkommenden Gewebearten oder Zahnmaterialien
mit unterschiedlichen Füllungsmaterialien ist eine Diagnose,
die sich auf die Analyse von drei Spektralbereichen stützt,
wesentlich genauer und zuverlässiger.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zum Festellen
von insbesondere bösartigen Tumoren bei einer endoskopischen
Untersuchung verwendet werden. Dazu wird eine photoaktive Substanz,
vorzugsweise 5-Aminolävulinsäure (5-ALA), in das
zu untersuchende biologische Gewebe eingebracht. Durch eine Anregungsstrahlung
angeregt, fluoresziert das biologische Gewebe und die malignen Zellen
heben sich deutlich von dem gesunden Gewebe ab. Maligne Zellen bedeuten
Zellen eines bösartigen Tumors. Aufgrund der Eigenfluoreszenz
der Haut (Autofluoreszenz) kann es jedoch zu falschen Ergebnissen
kommen. Bei einer Analyse, die sich auf drei Spektralbereiche stützt,
ist diese Autofluoreszenz erkennbar und diskriminierbar. Bei einer
Analyse, die sich auf drei Spektralbereiche stützt, ist
sogar ohne vorheriges Einbringen photoaktiver Substanzen eine Diagnose
möglich.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen
sein, dass der aus dem proximalen Ende der Detektionsfaser austretende
Lichtkegel ohne Zwischenschalten optischer Linsen die Sensorfläche
der Halbleitersensorenanordnung ausleuchtet.
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Dies
hat gegenüber dem bisherigen Stand der Technik den Vorteil,
dass die zurückgesandte Strahlung nicht über getrennte
Lichtleiter zu verschiedenen optischen Empfängern geführt
werden muss, oder über Spiegel oder andere optische Elemente
auf die optischen Empfänger aufgeteilt werden muss. Der
Lichtkegel, der aus dem proximalen Ende der Detektionsfaser austritt,
kann die Sensorfläche ohne Zwischenschalten optischer Linsen
ausleuchten.
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Die
Detektionsfaser ist mit Hilfe einer Lichtleiterhalterung zentrisch über
der Halbleitersensorenanordnung und in einem vorgegebenen Abstand zur
Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung fixiert, wobei
die Lichtleiterhalterung an dem Gehäuse der Halbleitersensorenanordnung
befestigt ist.
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Die
drei Sensoren können Sensoren für Strahlungen
sein, die jeweils in den Wellenlängenbereichen der Grundfarben
Rot, Grün und Blau liegen. Die drei Sensoren können
auch Sensoren für Strahlungen sein, die jeweils in anderen
Wellenlängenbereichen liegen, d. h. in Wellenlängenbereichen
der Mischfarben.
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Die
Sensoren können innerhalb einer Kreisfläche angeordnet
sein und der jeweiligen Grundfarbe kann ein Kreisflächensegment
von 120° zugeordnet sein.
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Dieses
Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die zurückgesandte
Strahlung gleichmäßig auf die Sensoren verteilt
wird, da die Detektionsfaser zentrisch zu der Halbleitersensorenanordnung
positioniert ist.
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Die
drei Sensoren sind jedoch nicht darauf beschränkt, innerhalb
eines Kreises angeordnet zu sein, sondern können auch beliebig
zueinander angeordnet sein.
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Der
Sensor für Strahlungen in dem Wellenlängenbereich
der Grundfarbe Rot besitzt die höchste Sensitivität
und ist bis mindestens 750 nm empfindlich.
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Dies
hat den Vorteil, dass die im Vergleich zur grünen Fluoreszenz
schwache Rot-Fluoreszenz verstärkt wird und dadurch ein
elektrisches Übersprechen verringert wird.
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Die
Sensoren können aus Fotowiderständen, Fototransistoren,
Fotodioden und/oder pyroelektrischen Sensoren bestehen. Die Sensoren
können unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen.
Die Sensoren können auch aus Farbbildsensoren, z. B. CCD
oder CMOS bestehen.
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Ein
optischer Vorfilter zur Unterdrückung der Anregungsstrahlung
kann zwischen der mindestens einen Detektionsfaser und der Halbleitersensorenanordnung
angeordnet sein und auf der Halbleitersensorenanordnung mit Hilfe
einer optisch transparenten Vergussmasse fixiert sein.
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Die
Dicke des optischen Vorfilters kann weniger als 2 mm betragen. Der
Vorfilter kann ein dielektrischer Filter sein.
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Auch
kann die Halbleitersensorenanordnung auf einer Platine angeordnet
sein, die mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, vorzugsweise
aus Kupfer gegen elektromagnetische Strahlung abgeschirmt ist.
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Es
kann jede beliebige Schicht verwendet werden, die gegen elektromagnetische
Strahlung abschirmt.
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Es
können zwischen der Empfangseinheit und der Auswerteeinheit
drei separate Verstärker zur Verstärkung der jeweiligen
Signale der Sensoren angeordnet sein.
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Die
verwendete Lichtquelle kann ein LED-Chip sein.
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LEDs
strahlen, im Gegensatz zu Lasern, Licht in einem weiten Öffnungswinkel
aus. Übliche, auf einem Substrat montierte LED-Chips strahlen
so in alle Richtungen.
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Die Übertragung
von Licht in einem Lichtleiter erfolgt im wesentlichen ohne Änderung
des Öffnungswinkels, d. h., dass das Licht beim Austreten aus
dem Lichtleiter den gleichen Öffnungswinkel besitzt wie
beim Eintritt.
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Um
somit Licht mit weitem Öffnungswinkel an der Austrittsseite
der Emissionsfasern zu realisieren, wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel beim
Einkoppeln auf optische Linsen verzichtet und zwischen dem LED-Chip
und der proximalen Endfläche der Emissionsfaser ein Abstand
von weniger als 0,3 mm, vorzugsweise 0 mm, vorgesehen.
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Durch
den Verzicht auf optische Linsen können wesentlich weitere Öffnungswinkel
realisiert werden.
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Zwischen
dem LED-Chip und der proximalen Endfläche der mindestens
einen Emissionsfaser kann ein Medium angeordnet sein, das einen
Brechungsindex besitzt, der zwischen dem der Emissionsfaser und
dem der Oberfläche des LED-Chips liegt. Auf diese Weise
werden die Reflektionsverluste an den Übergängen
minimiert. Vorteilhafterweise ist das in den Zwischenraum eingebrachte
Medium optisch transparent.
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Bei
einer Weiterbildung ist die an die lichtemittierende Fläche
des LED-Chips angrenzende proximale Endfläche der Emissionsfasern
kleiner als die lichtemittierende Fläche des LED-Chips
und vollständig von der lichtemittierenden Fläche
des LED-Chips bedeckt.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung emittiert der LED-Chip Licht im UV-Bereich
und/oder im angrenzenden sichtbaren Bereich, vorzugsweise violettes
Licht im Wellenlängenbereich von 390 bis 420 nm. Die Strahlung
in diesem Wellenlängenbereich kann besonders effizient
die optischen Unterschiede zwischen gesun den und infizierten Zähnen
oder malignen Zellen und gesundem Gewebe aufdecken.
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Die
Lichtquelle kann periodisch moduliertes Licht aussenden. Die Anregungsstrahlung
kann in ihrer Amplitude modulierbar sein, wobei die Frequenz der
Amplitudenmodulation ca. 2 kHz beträgt.
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Zwischen
Empfangseinheit und Auswerteeinheit können drei separate
Vorverstärker und/oder mindestens ein Lock-in-Verstärker
und/oder mindestens ein Subtrahierer angeordnet sein.
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Der
Subtrahierer kann ein Hardware-Subtrahierer sein. Das bedeutet,
dass die Schaltungselemente des Subtrahierers aus konkreten Bauelementen
bestehen, wie z. B. ohmsche Widerstände, Kondensatoren
oder Verstärker. Der Vorteil eines Hardware-Subtrahierers
liegt darin, dass der Dynamikbereich der Messung unabhängig
von einem Offset voll zu Verfügung steht.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel können die
Emissions- als auch die Detektionsfasern einen Akzeptanzwinkel größer
als 35° aufweisen. Alternativ kann der Akzeptanzwinkel
der Emissions- und Detektionsfaser größer als
40°, vorzugsweise größer als 45°,
sein.
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Bei
den bisher bekannten Vorrichtungen erwies sich der im wesentlichen
axiale Austritt der Strahlung aus dem jeweiligen Lichtleiter als
nachteilig, da aufgrund des im wesentlichen axialen Strahlungsaustritts
eine ausreichende Bestrahlung gerader Abschnitte enger Hohlräume,
z. B. Zahnfleischtaschen, nicht möglich ist. Aus diesem
Grund werden bei den bisher bekannten Vorrichtungen zusätzliche optische
Elemente am Strahlungsaustrittsende der Lichtleiter vorgesehen,
die einen nicht unerheblichen Fertigungsaufwand darstellen und die
Gesamtdurchmesser der Lichtleiter erheblich vergrößern.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass aufgrund der großen Akzeptanzwinkel
der Emissions- als auch die Detektionsfasern bakteriell befallene
Stellen oder maligne Zellen in engen Hohlräumen, wie z.
B. in Zahnfleischtaschen, ohne zusätzliche optische Elemente
besser detektierbar sind.
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Der
Akzeptanzwinkel größer als 35° entspricht
einem Öffnungswinkel von mindestens 70°. Der Vorteil
eines Akzeptanzwinkels von größer als 35° besteht
darin, dass das Bündel aus Emissions- und Detektionsfasern
der vorliegenden Erfindung geeignet ist, um auch geradlinige Abschnitte
enger Hohlräume zu bestrahlen, ohne dass zusätzliche
optische Elemente verwendet werden müssen. Die auf einer
ebenen Fläche, die senkrecht zur Lichtaustrittsfläche
verläuft, erzielte maximale Intensität ist bei
den erfindungsgemäßen Emissions- und Detektionsfasern,
die einen Akzeptanzwinkel größer als 35° aufweisen,
wesentlich höher als bei üblichen Quarzglaslichtleitern,
die keine Weitwinkellichtleiter sind.
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Die
Emissions- und Detektionsfasern können einfach oder mehrfach
beschichtet sein.
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Die
gesamte distale Stirnfläche der Emissions- und Detektionsfasern
kann mit der proximalen Stirnfläche mindestens eines Lichtleitelementes
gekoppelt sein, wobei das Lichtleitelement aus Saphir bzw. einem
mineralischen Werkstoff oder aus Kunststoff bestehen und einen Akzeptanzwinkel
größer als 35° aufweisen kann. Der Akzeptanzwinkel
kann auch größer als 40°, vorzugsweise
größer als 45°, sein. Die gesamte distale
Stirnfläche der Emissions- und Detektionsfasern und die
proximale Stirnfläche des Lichtleitelementes können
mit Hilfe einer Federkraft aneinander gepresst sein.
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Auch
können die Fluoreszenzsignale des Lichtleitelements von
den unterschiedlichen Sensoren der Halbleitersensorenanordnung erfassbar
sein. Durch Vergleich der von den Sensoren erzeugten Messsignale
mit den in der Auswerteeinheit gespeicherten Referenzdatensätzen
unterschiedlicher Materialien ist zusätzlich auch das Material
des mindestens einen Lichtleitelements erkennbar. Die Auswerteeinheit
kann ausgeben, aus welchem Material das Lichtleitelement besteht.
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Dies
hat den Vorteil, dass die Information, aus welchem Material das
Lichtleitelement besteht, an eine Software weitergegeben werden
kann. Diese Software legt unter anderem die Empfindlichkeit fest, mit
der die Messwerte ausgewertet werden. Die Weitergabe der Information
an die Software hat den Vorteil, dass die Sensitivität
der Messung dem Material des Lichtleitelements angepasst wer den
kann. Das heißt, dass die Empfindlichkeit, mit der die
Messwerte ausgewertet werden, dem Anwendungszweck angepasst werden
kann.
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Das
Lichtleitelement kann innerhalb einer Inspektionssonde geführt
sein, die einen Schaft und ein Ankopplungsteil aufweist. Die Inspektionssonde kann
an einem Handstück angeschlossen sein und die Verbindungsstelle
zwischen der gesamten distalen Stirnfläche der Emissions-
und Detektionsfasern und der proximalen Stirnfläche des
Lichtleitelements kann sich innerhalb des Handstücks befinden.
Auch die Lichtquelle kann sich innerhalb des Handstücks befinden.
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Das
Lichtleitelement kann starr oder flexibel sein.
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Das
Lichtleitelement kann die von der Lichtquelle über die
Emissionsfasern zur biologischen Substanz emittierte Anregungsstrahlung
und auch die von der biologischen Substanz ausgehende Fluoreszenzstrahlung
leiten.
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Das
Lichtleitelement kann aus einem einzelnen Lichtleiter oder aus mehreren
Lichtleitern, d. h. einem Lichtleiterbündel bestehen.
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Der
Gesamtdurchmesser des einzelnen Lichtleiters oder der Gesamtdurchmesser
des Lichtleiterbündels kann größer oder
gleich dem Gesamtdurchmesser von Emissions- und Detektionsfasern sein.
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Alternativ
zu dem Lichtleitelement können die Emissions- und Detektionsfasern
direkt, d. h. ohne Zwischenschalten eines Lichtleitelements, bis zur
biologischen Substanz z. B. in einem Endoskop geführt werden.
Die Emissions- und Detektionsfasern können ebenfalls am
distalen Ende innerhalb einer Inspektionssonde mit Schaft und Ankopplungsteil geführt
sein. Der Schaft kann starr oder flexibel sein. Er kann auch biegsam
oder gebogen ausgeführt sein. Der Schaft kann als Schutzschlauch
ausgebildet sein.
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Die
zwei zuvor genannten Ausführungsformen mit Inspektionssonde
erleichtern die Handhabbarkeit, da das Bündel aus Emissions-
und Detektionsfasern bzw. das Lichtleitelement aufgrund des gebogenen
Schafts leicht in z. B. Zahnfleischtaschen eingeführt werden
kann.
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Die
Emissions- und Detektionsfasern können mit dem distalen
Ende des Schafts abschließen oder maximal ca. 5 cm gegenüber
dem Schaft hervorstehen.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das proximale
Ende der Inspektionssonde an ein Handstück anschließbar
ist, wobei die Emissions- und Detektionsfasern innerhalb des Handstücks
führbar sind.
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Dies
hat den Vorteil, dass die Vorrichtung besser handhabbar ist, da
das Bündel aus Emissions- und Detektionsfasern aufgrund
des Handstücks besser geführt werden kann.
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Die
Lichtquelle kann innerhalb des Handstücks angeordnet sein.
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Bei
einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Länge der
Emissionsfaser oder die Gesamtlänge der Emissionsfaser
und des Lichtleitelements weniger als 60 cm, vorzugsweise weniger
als 10 cm, beträgt.
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Diese
Ausführungsformen haben den Vorteil, dass das ausgesendete
Licht keine langen Wege von der Lichtquelle bis zur biologischen
Substanz zurücklegen muss, da bei Weitwinkellichtleitern
die Intensität der Strahlung mit zunehmender Länge
des Lichtleiters abnimmt.
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Im
folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher erläutert: Es zeigen schematisch:
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1 eine
prinzipielles Blockschaltbild der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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2 eine
Vorrichtung mit Halbleitersensorenanordnung,
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3 ein
Blockschaltbild der Vorrichtung mit Empfangseinheit, Verstärker,
Subtrahierer, Auswerteeinheit und Anzeige,
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4 eine
Darstellung, bei der die Lichtquelle ein LED-Chip ist,
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5 ein
schematisches Blockschaltbild, bei dem die Lichtquelle im Handstück
angeordnet ist,
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6 eine
Vorrichtung mit Lichtleitelement,
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7a ein
Weitwinkellichtleiter, dessen Achse parallel zu einer ebenen Fläche
ausgerichtet ist,
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7b ein
Quarzglaslichtleiter, der kein Weitwinkellichtleiter ist, und dessen
Achse parallel zu einer ebenen Fläche ausgerichtet ist,
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8 eine
Darstellung mit Lichtverteilung auf der ebenen Fläche aus 2a und 2b,
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9 eine
Darstellung, die den Zusammenhang zwischen Dämpfung der
Beleuchtungsstärke und Länge des Lichtleiters
darstellt.
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1 zeigt
ein prinzipielles Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Anwendung im zahnärztlichen Bereich. Anregungsstrahlung aus
der Lichtquelle 18 wird in ein Bündel von Emissionsfasern 14 eingekoppelt
und von diesem zu einem Zahn 1 transportiert. Die Emissionsfasern 14 werden zusammen
mit Detektionsfasern 16 in einem Lichtleiterkabel 12 geführt.
Das Lichtleiterkabel 12 ist am distalen Ende an ein Handstück 10 gekoppelt.
Die Emissionsfasern 14 und die Detektionsfasern 16 werden
in dem Handstück 10 und in einer Inspektionssonde 2 geführt.
Die Inspektionssonde 2 besteht aus einem Ankopplungsteil 6 und
einem Schaft 4. Das proximale Ende des Ankopplungsteils 6 ist
an das distale Ende des Handstücks 10 anschließbar. Der
Schaft 4 kann vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff bestehen.
Die am Zahn 1 von der Anregungsstrahlung angeregte Fluoreszenzstrahlung wird über
Detektionsfasern 16 zu einer Empfangseinheit 20 transportiert.
Die Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 schließen
am distalen Ende 8 vorzugsweise mit dem distalen Ende des
Schafts 4 ab. Maximal stehen die Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 um
ca. 5 cm gegenüber dem zweiten Schaft hervor.
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In
der Empfangseinheit 20 wird die Fluoreszenzstrahlung in
drei voneinander getrennten Wellenlängenbereichen erfasst
und in drei elektrische Signale umgewandelt. Diese werden über
separate Vorverstärker 22, einem Lock-in-Verstärker 24 zugeführt.
Mittels eines dem Lock-in-Verstärker 24 nachgeschalteten
Subtrahierer 26 können Hintergrundsignale abgezogen
werden. Hintergrundsignale entstehen durch Reflektion der Anregungsstrahlung
am distalen Ende 8 der Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 sowie
durch eine leichte Eigenfluoreszenz der Lichtleitfasern und der
verwendeten Klebstoffe. Die Größe dieses Signals
ist direkt proportional zur Anregungsstrahlung. Wird die Anregungsstrahlung
konstant gehalten, ergibt sich ein konstantes Offset-Signal. Dieses
Hintergrundsignal wird während der Einschaltroutine des
Messgerätes gemessen und vor der Auswertung im Subtrahierer 26 eliminiert.
Innerhalb der Auswerteeinheit 28 befindet sich ein Speicher 27,
in dem dreidimensionale Messwerte von gesundem Zahnmaterial, krankem
Zahnmaterial und künstlichem Füllungsmaterial
hinterlegt sind. Dreidimensional bedeutet, dass bei jedem Messwert
die Strahlungsintensitäten in drei Spektralbereichen z.
B. in den Spektralbereichen der Grundfarben Rot, Grün, Blau
gemessen werden. Der aktuell gemessene dreidimensionale Messwert
wird mit den gespeicherten Vergleichsmesswerten verglichen und es
werden die Abstände zu dem nächstliegenden Vergleichsmesswert
von gesundem Zahnmaterial und/oder künstlichem Füllungsmaterial
und krankem Zahnmaterial bestimmt. Das Verhältnis von dem
Abstand zwischen aktuell gemessenem Messwert und dem nächstliegendem
Vergleichsmesswert von gesundem Zahnmaterial oder künstlichem
Füllungsmaterial und dem Abstand zwischen aktuell gemessenem
Messwert und dem nächstliegenden Vergleichsmesswert von krankem
Zahnmaterial wird in Form von Werten auf einer Anzeigeeinheit 29 angezeigt.
Der Anwender weiß, wenn dieser Wert kleiner als ein bestimmter Wert
ist, ist der untersuchte Zahnbereich frei von bakteriellen Rückständen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen von
insbesondere bösartigen Tumoren sieht ähnlich
wie die in Zusammenhang mit 1 beschriebene
Vorrichtung aus. Ein Unterschied besteht darin, dass kein Handstück 10 und
keine Inspektionssonde 2 verwendet werden. Das Lichtleiterkabel 12 ist
am distalen Ende an ein Endoskop angekoppelt. Die Emissions- und
Detektionsfasern 14, 16 werden innerhalb des Endoskops
geführt und schließen am distalen Ende mit dem
distalen Ende des Endoskops ab oder stehen maximal ca. 5 cm gegenüber
dem distalen Ende des Endoskops über. Das Endoskop ist in
den menschlichen Körper z. B. zur Blasenuntersuchung oder
zur Untersuchung anderer Körperhohlräume einführbar.
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2 zeigt
ein Bündel aus Detektionsfasern 16, die zentrisch über
eine erfindungsgemäße Halbleitersensorenanordnung 62 und
in einem definierten Abstand zur Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung 62 mit
Hilfe einer Lichtleiterhalterung 68 positioniert sind.
Die Lichtleiterhalterung 68 ist, was hier nicht dargestellt
ist, an dem Gehäuse der Halbleitersensorenanordnung 62 befestigt.
Die Halbleitersensorenanordnung 62 weist drei Sensoren
auf, die innerhalb eines Kreises angeordnet sind, die die am Zahn über
die Emissionsfasern 14 angeregte Fluoreszenzstrahlung in
drei voneinander getrennten Wellenlängenbereichen erfassen
und in drei elektrische Signale umwandeln. Die drei Sensoren sind Sensoren
für die Grundfarben Rot, Grün und Blau. Der jeweiligen
Grundfarbe ist ein Kreissegment von 120° zugeordnet. Der
Abstand zwischen der Endfläche der Detektionsfasern 16 und
der Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung 62 gewährleistet
eine vollständige Ausleuchtung der drei Sensoren. Der Abstand
zwischen Endfläche der Detektionsfasern 16 und
der Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung 62 kann
bei Verwendung von Weitwinkellichtleitern weniger als 2 mm betragen.
Zwischen den Detektionsfasern 16 und Halbleitersensorenanordnung 62 kann
ein Vorfilter 64 zur Unterdrückung der Anregungsstrahlung
angeordnet sein. Der Vorfilter 64 ist auf der Halbleitersensorenanordnung 62 mit
Hilfe einer optisch transparenten Vergussmasse fixiert.
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3 zeigt
ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Detektionsfasern 16, die die vom Zahn zurückgesandte
Strahlung leiten, sind zentral über eine Halbleitersensorenanordnung 62 in
einem definierten Abstand zur Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung 62 positioniert.
Die Halbleitersensorenanordnung 62 weist drei innerhalb eines
Kreises angeordnete Sensoren auf, die die am Zahn oder in der Zahnfleischtasche über
die Emissionsfasern 14 angeregte Fluoreszenzstrahlung in
drei voneinander getrennten Wellenlängenbereichen erfassen
und in drei elektrische Signale umwandeln. Diese werden, wie auch
in 1 dargestellt, über separate Vorverstärker 22,
einem Lock-in-Verstärker 24 und einem Subtrahierer 26 einer
Auswerteeinheit 28 zugeführt.
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Dort
werden die Messwerte mit in einem Speicher 27 gespeicherten
Vergleichsmesswerten verglichen und ein Wert ausgegeben, der auf
einer Anzeige 29 darstellbar ist. Wenn der Wert oberhalb eines
bestimmten Werts ist, bedeutet das, dass der Zahn bakteriellen Befall
aufweist.
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4 zeigt
einen LED-Chip 40, der mit den Emissionsfasern 14 gegenüberliegend
gekoppelt ist. Das heißt, dass zwischen der LED-Chip-Oberfläche und
der proximalen Stirnfläche der Emissionsfasern 14 weniger
als 0,3 mm, vorzugsweise 0 mm, Abstand verbleibt. Zwischen der LED-Chip-Oberfläche
und der Emissionsfasern 14 kann ein nicht dargestelltes, vorzugsweise
transparentes Medium, z. B. ein Kunstharz, angeordnet sein, dessen
Berechnungsindex zwischen dem der Emissionsfasern 14 und
dem der LED-Chip-Oberfläche liegt. Mit Hilfe des transparenten
Mediums, z. B. einem aushärtbaren Kunststoff, werden die
Emissionsfasern mechanisch fest mit dem LED-Chip 40 verbunden
und optisch gekoppelt. Der LED-Chip 40 ist mittels eines
elektrisch leitfähigen Klebers 46 auf einen Monitordiodenchip 50 montiert
und elektrisch kontaktiert. Die Monitordiode 50 liefert
eine Messgröße proportional zur optischen Ausgangsleitung
des LED-Chips 40. Von einer elektrischen Kontaktstelle 48 ist
ein Bonddraht 44 mit einem im Sockel 52 isoliert
geführten elektrischen Anschlussstift 54 verbunden.
Die Monitordiode 50 besitzt einen zweiten elektrischen
Kontakt, der als Gehäusepin 56 nach außen
geführt ist. Der LED-Chip 40 besitzt ebenso einen
zweiten elektrischen Anschluss. Dieser Anschluss erfolgt über
einen Bonddraht 42, der mit einem im Sockel 52 isoliert
geführten elektrischen Anschlussstift 58 verbunden
ist.
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Alternativ
ist der Aufbau aus 4 auch ohne Monitordiode 50 ausführbar.
In diesem Fall würden auch die elektrische Kontaktstelle 48 und
der Bonddraht 44 mit dem im Sockel isoliert geführten Stift 54 wegfallen.
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Damit
die Strahlungsverluste der Anregungsstrahlung gering gehalten werden
können, wird in einem Ausführungsbeispiel, in 5,
das dem Ausführungsbeispiel aus 1 ähnlich
ist, die Lichtquelle innerhalb des Handstücks 10 angeordnet. Dies
hat den Vorteil, dass die Länge der Emissionsfasern 14 sehr
kurz ausführbar ist. Die Emissionsfasern 14 und
Detektionsfasern 16 werden am distalen Ende des Handstücks 10 zusammengeführt.
Am distalen Ende schließt eine Inspektionssonde mit Schaft und
Ankopplungsteil an, in der die Emissions- 14 und Detektionsfasern 15 geführt
sind. Distal schließen die Emissions- und Detektionsfasern
mit dem distalen Ende des Schafts ab. Die am Zahn 1 angeregte
Fluoreszenzstrahlung wird vom Zahn 1 über die
Detektionsfasern 16 zu einer Empfangseinheit 20,
die sich im Gerät 17 befindet, gesendet. Die Detektionsfasern 16 werden
vom proximalen Handstück 10 bis zur Empfangseinheit 20 in
dem Lichtleiterkabel 13 geführt. In 5 wird
die Lichtquelle aus 4 verwendet.
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6 zeigt
ein Blockschaltbild, dass dem aus 5 sehr ähnlich
ist, mit dem Unterschied, dass die Stirnfläche des Bündels
aus Emissions- und Detektionsfasern mit der Stirnfläche
eines Lichtleitelements 9 gekoppelt ist.
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Das
Lichtleitelement 9 ist innerhalb einer Zentriervorrichtung 15 geführt
und ragt am proximalen Ende der Zentriervorrichtung 15 aus
dieser heraus. Die Zentriervorrichtung 15 und somit das
Lichtleitelement 9 werden mit dem Bündel aus Emissions- und
Detektionsfasern 14, 16 innerhalb eines Steck- und
Kupplungselements 11 durch eine Feder gegeneinander gepresst.
Ein solches Steck- und Kupplungselement 11 kann ein handelsüblicher
ST-Stecker sein, der eine Bajonetthalterung aufweist. Das Steck-
und Kupplungselement 11 befindet sich innerhalb eines Handstücks 10.
Das Lichtleitelement 9 wird um die gegenüber dem
proximalen Ende der Zentriervorrichtung 11 überstehende
Länge in das erste Ankopplungsteil 7 zurückgedrückt.
Da das Lichtleitelement 9 innerhalb des Schafts 4 und/oder des
distalen Endes des Ankopplungsteils 6 fixiert bzw. festgeklebt
ist, verbiegt sich das Lichtleitelement 9, das in diesem
Fall eine flexible Kunststofflichtleitfaser ist, innerhalb des Ankopplungsteils 6. Durch
die Biegung steht das Lichtleitelement 9 unter Spannung,
die bewirkt, dass das Lichtleitelement 9 permanent gegen
das Bündel aus Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 gedrückt
wird. Dies gewährleistet eine gute Einkopplung der Strahlung
aus dem Bündel aus Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 in
das Lichtleitelement 9 und umgekehrt.
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An
der Verbindungsstelle wird die Anregungsstrahlung aus der Emissionsfaser 14 in
das Lichtleitelement 9 eingekoppelt. Das Lichtleitelement 9 ist
innerhalb einer Inspektionssonde 2 geführt. Die Inspektionssonde 2 besteht
aus einem Schafts 4 und einem Ankopplungsteil 6.
Das Lichtleitelement 9 kann am distalen Ende mit dem distalen
Ende des Schaft 4 abschließen oder distal aus
diesem hervorragen, wobei er maximal 30 mm aus dem ersten Schaft 5 hervorragt.
Das aus dem Lichtleitelement 9 distal austretende Licht
beleuchtet den zu untersuchenden Zahnabschnitt. Das von dem beleuchteten Zahnabschnitt
zurückgesandte Licht wird vom distalen Ende des Lichtleitelements 9 aufgenommen
und über die Detektionsfasern 16 zu einer Empfangseinheit 20 geführt.
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Alternativ
kann das Lichtleitelement 9 auch aus Saphir oder anderen
mineralischen Materialen bestehen. Die Verbindung zwischen Lichtleitelement 9 und
dem Bündel aus Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 kann
auch, insbesondere wenn das Lichtleitelement 9 starr ist,
ohne Verbiegung des Lichtleitelements 9 stattfinden. Das
Lichtleitelement 9 und das Bündel aus Emissions-
und Detektionsfasern 14, 16 können eine
ballige Stirnfläche aufweisen, um eine bessere Einkopplung
des Lichts zu ermöglichen.
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Auch
kann das Lichtleitelement aus mehreren Lichtleitern bestehen, d.
h. das Lichtleitelement besteht aus einem Lichtleiterbündel.
Diese Lichtleiter können jeweils einen Durchmesser von
etwa 30 μm aufweisen. Auch diese Lichtleiter können
aus Saphir oder anderen mineralischen Materialien oder Kunststoffen
bestehen.
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Auch
können zusätzlich zu den Fluoreszenzsignalen der
beleuchteten Zahnabschnitte die Fluoreszenzsignale des Lichtleitelements 9 von
der Empfangseinheit 20 erfasst werden. Diese letztgenannten Fluoreszenzsignale
werden dann ebenfalls in elektrische Signale umgewandelt. Diese
werden über separate Vorverstärker 22,
einem Lock-in-Verstärker 24 und einem Subtrahierer 26 der
Auswerteeinheit 28 zugeführt. In dem Speicher 27,
der sich innerhalb der Auswerteeinheit 28 befindet, können
sich zusätzlich dreidimensionale Messwerte der Materialien
verschiedener möglicher Lichtleitelemente 9 befinden. Die
gemessenen Fluoreszenzsignale des Lichtleitelements 9 können
mit den gespeicherten Messwerten verglichen werden. Auf diese Weise
kann ermittelt werden, aus welchem Material das Lichtleitelement 9 besteht.
Die Sensitivität der Messung kann dem Material den Lichtleitelements
angepasst werden.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen von,
insbesondere bösartigen, Tumoren sieht ähnliche
wie die in Zusammenhang mit 5 und 6 be schriebenen
Vorrichtungen aus. Ein Unterschied besteht darin, dass keine Inspektionssonde 2 verwendet
wird. Es ist jeweils ein Endoskop an das distale Ende des Handstücks 10 angekoppelt.
Die Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 werden
innerhalb des Endoskops geführt und schließen
am distalen Ende mit dem distalen Ende des Endoskops ab oder stehen
maximal 5 cm gegenüber dem distalen Ende des Endoskops über.
Das Endoskop ist in den menschlichen Körper zum Untersuchen
von Körperholräumen einführbar.
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7a und 7b zeigen
einen Lichtkegel eines Lichtleiters, der einen Weitwinkellichtleiter
repräsentiert, und im Vergleich hierzu den Lichtkegel eines üblichen
Quarzglaslichtleiters, der kein Weitwinkellichtleiter ist. Die Mittelachse 34, 36 der
beiden Lichtleiter liegen im Abstand von 300 μm parallel
zu einer ebenen Fläche 30. Die Durchmesser der
Lichtleiter betragen jeweils 210 μm. Der Weitwinkellichtleiter
strahlt das Licht mit einem Öffnungswinkel von 120° ab,
was einem Akzeptanzwinkel von 60° entspricht. Der herkömmliche
Quarzglaslichtleiter, der kein Weitwinkellichtleiter ist, besitzt
einen Öffnungswinkel von 25°. Die Lichtintensitäten
auf der ebenen Fläche 30 sind in den Bereichen
am höchsten, wo die Linien 35 und 37 auf
die ebene Fläche 30 treffen.
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Vorzugsweise
werden als Weitwinkellichtleiter Glaslichtleiter mit einem Akzeptanzwinkel
größer als 35°, vorzugsweise größer
als 40°, verwendet. Es können aber auch Weitwinkel-Kunststofflichtleitfasern,
vorzugsweise aus Polystyrol, verwendet werden.
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8 zeigt
die Lichtverteilungen auf der ebenen Fläche 30 aus 7a und 7b.
Die Lichtaustrittsfläche d. h. das freie Ende der Lichtleiter liegt
auf der Abszisse beim Wert 0. Die weißen Punkte repräsentieren
die Lichtintensitätsverteilung für übliche
Quarzglaslichtleiter mit einem Öffnungswinkel von 25°,
die schwarzen Quadrate repräsentieren die Lichtintensitätsverteilung
für Weitwinkellichtleiter mit einem Öffnungswinkel
von 120°. Deutliche Unterschiede zwischen beiden Kurven
sind zu erkennen. Ein Öffnungswinkel von nur 25° führt
zu einem flachen Kurvenverlauf. Die maximal auf der ebenen Fläche 30 erzielte
Lichtintensität hat etwa einen Abstand zwischen 1,5 mm
und 2 mm von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiterendes
bei einem Öffnungswinkel von 25°. Im Falle eines Öffnungswinkels
von 120° hat die maximal auf der ebenen Fläche 30 erzielte Lichtintensität
einen Abstand von nur etwa 0,3 mm von dem Lichtleiterende. Die auf
der ebenen Fläche erzielte maximale Intensität
ist im Falle des bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
verwendeten Weitwinkellichtleiters mehr als fünf mal höher
im Vergleich zu der maximalen Intensität eines üblichen
Quarzglaslichtleiters, der kein Weitwinkellichtleiter ist. Das heißt,
es können wesentlich genauere Messwerte ermittelt werden,
da das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wesentlich besser ist.
Der untersuchte Flächenabschnitt ist bei einem Weitwinkellichtleiter,
wie aus 7a und 7b ersichtlich
ist, wesentlich kürzer und besser ausgeleuchtet als bei üblichen
Quarzglaslichtleitern, die keine Weitwinkellichtleiter sind. Das
Verhältnis von bakteriell verunreinigter Fläche
zu untersuchtem Flächenabschnitt hat einen direkten Einfluss
auf die Messwerte, d. h., wenn die bakteriell verunreinigte Fläche
klein ist gegenüber dem untersuchten Flächenabschnitt,
so ist die Verunreinigung wegen des geringen prozentualen Anteils
der verunreinigten Fläche zu dem insgesamt untersuchten
Flächenabschnitt nur schwer aus den Messwerten abzulesen.
Kleine Verunreinigungen können bei der Verwendung von üblichen
Quarzglaslichtleitern mit großem untersuchten Flächenabschnitt
und schwacher Ausleuchtung, wie aus 8 hervorgeht,
daher leicht übersehen werden. Bei Weitwinkellichtleitern mit
verhältnismäßig kurzem Flächenabschnitt
und intensiver Ausleuchtung ist das Verhältnis von verunreinigter
Fläche zu untersuchtem Flächenabschnitt hinsichtlich
des prozentualen Anteils günstiger, so dass verunreinigte
Flächen eindeutiger und genauer detektierbar sind. Aus
diesem Grund können die zu untersuchenden Zahnabschnitte,
insbesondere in engen Hohlräumen, mit einem erfindungsgemäßen Weitwinkellichtleiter
genauer untersucht werden.
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9 zeigt
die Beleuchtungsstärke am Ende verschiedener Lichtleiter
relativ zur Beleuchtungsstärke am Eingang der Lichtleiter
in Abhängigkeit von deren Länge. Die relative
Beleuchtungsstärke wurde nach der folgenden Formel berechnet: B = NA2·10–((a·L)/10)
- B:
- Beleuchtungsstärke
- NA:
- Numerische Apertur
- a:
- Dämpfung
des Lichtleiters in dB/m
- L:
- Länge des
Lichtleiters in m
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Die
offenen Kreise beziehen sich auf einen Weitwinkellichtleiter mit
einem Öffnungswinkel von 120°. Dieser Weitwinkellichtleiter
weist im Bereich von 400 nm eine Dämpfung von etwa 17 dB/m
auf. Die schwarzen Punkte beziehen sich auf einen Quarzglaslichtleiter
mit einem Öffnungswinkel von 25°. Dieser Quarzglaslichtleiter
weist im Bereich von 400 nm eine Dämpfung von etwa 0,1
dB/m auf.
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Aus 9 ist
ersichtlich, dass lange Lichtleitfasern, gerade bei Weitwinkellichtleitern,
in dem für die Fluoreszenzanregung interessanten, kurzwelligen
Spektralbereich um 390–420 nm zu einer Abschwächung
des an der Austrittsfläche zur Verfügung stehenden
Lichts führen. Die Lichtleiterfasern sollten, um diese
Dämpfung zu vermeiden, bei Verwendung eines Weitwinkellichtleiters
eine Länge von weniger als 60 cm, vorzugsweise weniger
als 10 cm, aufweisen. So könnte im Gegensatz zu üblichen
Quarzglaslichtleitern, die keine Weitwinkellichtleiter sind, eine etwa
10-fach höhere Beleuchtungsstärke erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4200741
A [0002]
- - DE 19541686 A [0003]