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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abstandsüberwachung zwischen einer Sonde und einem fluoreszierendem Objekt.
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Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind in vielen technischen Bereichen einsetzbar. Insbesondere bei Verfahren zur Herstellung elektronischer Bauteile oder auch bei chirurgischen Verfahren ist eine Abstandsüberwachung zwischen einer Arbeits- oder Werkzeugsonde und einem zu bearbeitenden oder zu modifizierenden Objekt äußerst wichtig. Zudem kann es insbesondere bei chirurgischen Verfahren wichtig sein, bestimmte Objekte eben nicht mit einer entsprechenden Sonde zu berühren. Nur dadurch kann zuverlässig verhindert werden, dass zum Beispiel eine zu schnelle und/oder zu starke Annäherung an das Objekt nicht zu einer ungewünschten Beschädigung dessen führt.
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Zum Beispiel wird bei der Entnahme von Gewebeproben aus dem Gehirn häufig eine Sonde, insbesondere eine Biopsienadel nur durch eine kleine Bohrung in der Schädeldecke mit Hilfe einer mechanischen Zielvorrichtung durch das Gehirn des Patienten bis zum Zielpunkt vorgeschoben. Obwohl die Geometrie dieses Vorgangs sorgfältig anhand präoperativer MRT- und CT-Aufnahmen geplant wird, besteht die Gefahr einer Verletzung von Blutgefäßen. Wenn ein zu großes Blutgefäß perforiert wird, ist dies eine lebensbedrohliche Komplikation, weil die Blutung nicht rasch gestillt werden kann. Dass diese Fragestellung ein äußerst relevantes klinisches Problem darstellt, mag an der Tatsache gemessen werden, dass die Cleveland Clinic einen Preis ausgeschrieben hat mit dem Titel „Avoidance of Blood Vessels During Insertion of Medical Probes. This Challenge is seeking a theoretical design of an “early warning” sensor for blood vessels in the path of a medical probe.“ (https://www.innocentive.com/ar/challenge/9932797).
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Die erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Abstandsüberwachung zwischen einer Sonde und einem fluoreszierendem Objekt als eine Art Frühwarnsystems, welches beim Vorschub der Sonde an ein entsprechend fluoreszierendes Objekt deren Annäherung rechtzeitig anzeigt, um eine übermäßige und/oder unerwünschte Perforation des Objekts durch die Sonde vermeiden zu können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens als vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung und umgekehrt anzusehen sind.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Abstandsüberwachung zwischen einer Sonde und einem fluoreszierenden Objekt wird erfindungsgemäß während der Abstandsüberwachung mittels mindestens einer in oder an der Sonde angeordneten Anregungs- und Detektionslichtleitfaser die Fluoreszenzanregung des Objektes und eine Detektion einer ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objekts durchgeführt. Zudem erfolgt mittels mindestens einer weiteren in oder an der Sonde angeordneten Detektionslichtleitfaser eine Detektion einer zweiten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes. Schließlich wird mittels einer Ermittlungseinrichtung der relative Abstand zwischen einem objektnahen Ende der Sonde und dem Objekt anhand eines Quotienten aus der ersten zur zweiten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes und/oder anhand eines Quotienten aus der zweiten zur ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes ermittelt. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass bei einer Annäherung des dem Objektes zugewandten Endes der Sonde sich für die Anregungs- und Detektionsleitfaser und die Detektionslichtleitfaser jeweils ein charakteristischer Signalverlauf bezüglich der Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes ergibt. Durch die Bildung entsprechender Quotienten zwischen der ersten und zweiten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes und der entsprechenden Auswertung und Interpretation dieser Quotienten ist es möglich, ein zuverlässiges Verfahren zur Abstandsüberwachung zwischen der Sonde beziehungsweise dem objektnahen Ende der Sonde und dem fluoreszierenden Objekt bereitzustellen. So kann beispielsweise bei einem minimalen Quotientenwert aus der ersten zur zweiten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes und/oder bei einem maximalen Quotientenwert aus der zweiten zur ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes ein Warnsignal erzeugt werden. Das jeweilige Maximum beziehungsweise Minimum des Quotienten beziehungsweise Quotientenwertes zeigt an, dass sich das objektnahe Ende der Sonde bereits im Nahbereich des Objektes befindet. Des Weiteren ist es möglich, dass ein weiteres Warnsignal erzeugt wird, für den Fall, dass bei einem während der gezielten Annäherung des objektnahen Endes der Sonde an das Objekt über ein vorbestimmtes Zeitintervall nicht oder nur unwesentlich sich verändernde Quotientenwerte aus der ersten zur zweiten Signalstärke/Intensität oder der zweiten zur ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes festgestellt werden. Entsprechende Messwerte deuten zuverlässig daraufhin, dass sich die Sonde mit einem seitlichen Versatz dem fluoreszierenden Objekt nähert und/oder dieses verfehlt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vor der Abstandsüberwachung mindestens ein Fluoreszenzfarbstoff, der im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im nahen infraroten Bereich des Lichtspektrums angeregt wird, in das Objekt eingebracht oder an das Objekt aufgebracht. Bei dem Fluoreszenzfarbstoff kann es sich zum Bespiel um NIR-Fluorochrom handeln. Auch andere geeignete Fluoreszenzfarbstoffe sind denkbar. Zudem besteht die Möglichkeit, dass mindestens eine weitere, zusätzlich absorbierende Linienquelle innerhalb oder im Bereich des Objektes angeordnet wird. Dies ist insbesondere bei schwach fluoreszierenden Objekten oder bei Objekten, die sich in einem gegebenenfalls schwach absorbierenden und stark streuenden Medium befinden, vorteilhaft, da hierdurch zuverlässige und verwertbare Fluoreszenzsignale erzeugt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Tiefenempfindlichkeit der Vorrichtung mittels des Abstands zwischen der mindestens einen Anregungs- und Detektionslichtleitfaser und der mindestens einen weiteren Detektionslichtleitfaser regulierbar. Damit ist das Verfahren zur Abstandsüberwachung an das jeweilige zu untersuchende Objekt beziehungsweise dessen Oberflächenbeschaffenheit anpassbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zusätzlich zur Detektion und Messung der ersten und zweiten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes eine Detektion und Messung der Signalstärke/Intensität einer vom Objekt remittierten Lichtstrahlung erfolgen. Auch hierdurch ergibt sich die Möglichkeit einer verbesserten Abstandsüberwachung, da hier weitere Daten zur Abstandsbestimmung und -überwachung ermittelt und ausgewertet werden. Dabei kann in der Praxis der Quantenwirkungsgrad der Fluoreszenz des Objektes durch geeignete Beschichtung oder eine entsprechende Geometrie entsprechender Lichtfilter oder des Strahlengangs selbst angepasst werden.
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Schließlich besteht die Möglichkeit, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Signalstärken/Intensitäten mehrerer Lichtleitfasern zu einem Signal gebündelt werden. Dies betrifft sowohl die durch die Anregungs- und Detektionslichtleitfaser aufgenommenen Signale sowie die durch die Detektionslichtleitfasern aufgenommenen Signale.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abstandsüberwachung zwischen einer Sonde und einem fluoreszierenden Objekt, wobei die Vorrichtung die Sonde umfasst. Dabei weist die Sonde mindestens eine in oder an der Sonde angeordnete Anregungs- und Detektionslichtleitfaser zur Fluoreszenzanregung des Objektes und zur Detektion einer ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes auf. Zudem weist die Sonde mindestens eine weitere in oder an der Sonde angeordnete Detektionslichtleitfaser zur Detektion einer zweiten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes auf. Zudem umfasst die Vorrichtung mindestens eine Ermittlungseinrichtung zur Bestimmung und Überwachung des relativen Abstands zwischen einem objektnahen Ende der Sonde und dem Objekts anhand eines Quotienten aus der ersten zur zweiten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objekts oder anhand eines Quotienten aus der zweiten zur ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes. Wie bereits im Vorhergehenden beschrieben, ist es dadurch möglich eine Art Frühwarnsystem bereitzustellen, welches beim Vorschub der Sonde an ein entsprechend fluoreszierendes Objekt deren Annäherung rechtzeitig anzeigt, um eine übermäßige und/oder unerwünschte Perforation des Objekts durch die Sonde vermeiden zu können. Dabei ist insbesondere bei einem minimalen Quotientenwert aus der ersten zur zweiten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes und/oder bei einem maximalen Quotientenwert aus der zweiten zur ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes ein Warnsignal erzeugbar. Dieses Warnsignal zeigt an, dass sich das objektnahe Ende der Sonde bereits deutlich an das Objekt beziehungsweise die Objektoberfläche angenähert hat. Ändern sich die genannten Quotientenwerte über ein vorbestimmtes Zeitintervall nicht, so deutet dies eindeutig darauf hin, dass bei einer gezielten und gerichteten Annäherung an das fluoreszierende Objekt dieses Verfehlt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die mindestens eine Anregungs- und Detektionslichtleitfaser an der mindestens einen Detektionslichtleitfaser an oder ist von dieser beabstandet. Durch den variablen Abstand zwischen der Anregungs- und Detektionslichtleitfaser und der Detektionslichtleitfaser ist es zum Beispiel möglich, die Tiefenempfindlichkeit der Vorrichtung zu regulieren. Zudem kann die Anordnung der Lichtleitfasern an die baulichen Gegebenheiten der jeweiligen Sonde ohne Weiteres angepasst werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können mehrere Detektionslichtleitfasern radialsymmetrisch um eine zentral angeordnete Anregungs- und Detektionslichtleitfaser oder mehrere Anregungs- und Detektionslichtleitfasern radialsymmetrisch um eine zentral angeordnete Detektionslichtleitfaser ausgebildet sein. Dabei kann der radiale Abstand gleich und/oder verschieden sein. Des Weiteren ist es möglich, die Signale der radialsymmetrisch angeordneten Lichtleitfasern zu einem Signal zusammenzufassen. Damit ergibt sich eine Vielzahl von Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die jeweils an das zu untersuchende Objekt, insbesondere dessen Fluoreszenzeigenschaften, wie auch eines möglichen, das Objekt umgebende Medium angepasst werden kann. So besteht auch die Möglichkeit, dass die Lichtleitfasern, nämlich die Anregungs- und Detektionslichtleitfaser sowie die Detektionslichtleitfasern Teil oder Gesamtheit eines geordneten Lichtleitfaserbündels (Bildlichtleiter) darstellen. Ein Teil des Lichtleitfaserbündels dient dabei der Anregung, ein oder mehrere andere Teile des Lichtleitfaserbündels der Detektion der Fluoreszenzsignale. Durch eine ringförmige Anordnung dieser Teile können Signale unterschiedlichen Abstands von einer zentralen Lichtleitfaser, die wahlweise als Quelle oder als Detektor dienen kann, realisiert werden. Zudem ist es möglich, dass die dem Objekt zugewandte Lichtaustrittsfläche der mindestens einen Anregungs- und Detektionslichtleitfaser und/oder eine dem Objekt zugewandete Lichtaustrittsfläche der mindestens einen Detektionslichtleitfaser mit dem Ende der Sonde abschließen, d.h. in ungefähr einer Ebene liegen oder von dem Ende der Sonde versetzt angeordnet sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine dem Objekt zugewandte Lichtaustrittsfläche der mindestens einen Anregungs- und Detektionslichtleitfaser und/oder eine dem Objekt zugewandete Lichtaustrittsfläche der mindestens einen Detektionslichtleitfaser in einem Winkel größer oder kleiner 90° zur jeweiligen Längsachse der Anregungs- und Detektionslichtleitfaser und/oder Detektionslichtleitfasern ausgebildet sein. So können zum Beispiel die jeweiligen Faserenden in einem Winkel von 45° angesch liffen sein, wobei die Schliffflächen der jeweiligen Faserenden von Anregungs- und Detektionslichtleitfaser und Detektionslichtleitfasern nicht parallel zueinander verlaufen. Die Schliffflächen der Lichtleitfasern werden üblicherweise verspiegelt. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass ein künstlicher Abstand zwischen der Anregungs- und Detektionslichtleitfaser und der Detektionslichtleitfasern erzeugt wird. Dadurch ist wiederum die Tiefenempfindlichkeit der Vorrichtung steuerbar.
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Die im Vorhergehenden beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abstandsüberwachung zwischen einer Sonde und einem fluoreszierenden Objekt kann beispielsweise bei einem chirurgischen oder therapeutischen Verfahren zum Einsatz kommen.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ausgebildet. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind den vorhergehenden Beschreibungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zu entnehmen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, dem Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in dem Ausführungsbeispiel genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dabei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Abstandsüberwachung zwischen einer Sonde und einem fluoreszierendem Objekt;
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2 eine weitere, detailliertere Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1;
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3 eine schematische Darstellung des Signalverlaufs bei einer Annäherung einer Sonde der erfindungsgemäßen Vorrichtung an das fluoreszierende Objekt; und
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4 eine schematische Darstellung des Signalverlaufs bei einem seitlichen Versatz der Annäherung einer Sonde der erfindungsgemäßen Vorrichtung an das fluoreszierende Objekt.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Abstandsüberwachung zwischen einer Sonde 12 und einem fluoreszierendem Objekt 16. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Sonde 12 als Biopsienadel ausgebildet, die sich einem Blutgefäß als Objekt 16 annähert. Die Sonde 12 bewegt sich dabei durch eine Schädeldecke 18 hindurch in Richtung des Blutgefäßes 16. Man erkennt, dass die Sonde 12 an einem dem in Objektrichtung ausgebildeten Ende gegenüberliegenden Ende mit einer Ermittlungsvorrichtung 14 licht- und signalleitend verbunden ist.
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2 zeigt eine detailliertere Darstellung der Vorrichtung 10 gemäß 1. Man erkennt, dass die Sonde 12 eine in der Sonde 12 angeordnete Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 umfasst. Über die Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 wird ein Anregungslicht erzeugt und von einer Anregungslichtquelle 20 auf das Objekt 16 geleitet. Das Objekt 16 befindet sich in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eingebettet in Gewebe 32. Neben der Fluoreszenzanregung dient die Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 auch zur Detektion einer ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes 16. Dabei wird das über die Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 detektierte Fluoreszenzlicht nach einem Durchgang durch einen dichroitischen Strahlteiler 22 detektiert, um das Anregungslicht vom mit der Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 verbundenen Lichtdetektor 30 fernzuhalten. Des Weiteren kann vor dem Lichtdetektor 30 ein Langpassfilter 28 angeordnet sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Objekt 16 mit einer Lichtstrahlung der Wellenlänge 785 nm angeregt.
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Des Weiteren erkennt man, dass die Sonde 12 eine Detektionslichtleitfaser 26 umfasst, welche eine zweite Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objektes 16 aufnimmt und an einen entsprechenden Lichtdetektor 32 weiterleitet und somit insgesamt detektiert.
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Die Lichtdetektoren 30, 32 können zusammen mit mindestens einer Auswerteeinheit und einer entsprechenden Anzeigevorrichtung innerhalb der Ermittlungsvorrichtung 14 ausgebildet und integriert sein. Die genannten Elemente können aber auch unabhängig voneinander angeordnet werden.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass mindestens einem objektnahen Ende der Lichtleitfasern 24, 26 eine Optik vorgeschaltet ist.
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Die rechte Hälfte der 2 stellt die unterschiedliche Tiefenempfindlichkeit der Sonde 12 beziehungsweise der Lichtleitfasern 24, 26 bei unterschiedlichem Faserabstand dar. Man erkennt, dass bei einem größeren Abstand zwischen den Lichtleitfasern 24, 26 die Tiefenempfindlichkeit der Vorrichtung 10 erhöht wird.
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Die rechte Hälfte der 2 illustriert zudem die unterschiedliche Tiefenempfindlichkeit der Vorrichtung 10 bei unterschiedlichen Abständen zwischen der Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 und der Detektionslichtleitfasern 26.
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Im Folgenden wird die Vorrichtung 10 und das Verfahren zur Abstandsüberwachung zwischen der Sonde 12 und dem fluoreszierendem Objekt 16 anhand eines Annäherns einer Biopsienadel als Sonde 12 an ein Blutgefäß als Objekt 16 beispielhaft erläutert:
Vor der Einführung und dem Heranführen der Sonde 12 wird ein Nah-Infrarot-Fluoreszenzfarbstoff einem Patienten intravenös verabreicht, vorzugsweise per Infusomat in gleichmäßigen Raten verteilt über den Untersuchungszeitraum. Der Farbstoff darf die Blutgefäße nicht verlassen. Als Farbstoff kann beispielsweise Indocyanin Grün verwendet werden, welcher für intravenöse Applikation klinisch zugelassen ist. In die Biopsienadel 12 werden mindestens zwei Lichtleitfasern 24, 26 integriert. Die Fluoreszenzanregung erfolgt über die mindestens eine Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24. Über die Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 und/oder jede der anderen Detektionslichtleitfasern 26 erfolgt gleichzeitig oder in schneller Folge die Detektion des Fluoreszenzlichts des Blutgefäßes 16 mit den ausreichend empfindlichen Lichtdetektoren 30, 32 (siehe 2). Das über die Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 detektierte Fluoreszenzlicht wird dabei zweckmäßigerweise nach Durchgang durch den dichroitischen Strahlteiler 22 detektiert, um das Anregungslicht vom Lichtdetektor 30 fernzuhalten.
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Bei einer zentralen Annäherung des dem Blutgefäß 16 zugewandten Endes der Biopsienadel 12 an das fluoreszierende Blutgefäß 16 ergibt sich für die verschiedenen Fasern, nämlich für die Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 und die Detektionslichtleitfaser 26, ein charakteristischer Signalverlauf (siehe 3). Die Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 liefert ein Signal, das immer stärker wird, je näher die Sondenspitze dem Gefäß 16 kommt, während das Signal einer benachbarten Detektionslichtleitfaser 26 nur bis zu einem Maximum ansteigt und bei weiterer Annäherung wieder abfällt (siehe 3). Erfolgt die Annäherung des dem Blutgefäß 16 zugewandten Endes der Biopsienadel 12 mit den entsprechenden Lichtaustrittsflächen der Anregungs- und Detektionslichtleitfaser 24 und der Detektionslichtleitfaser 26 nicht zentral, sondern mit einem seitlichen Versatz im Bereich des Gefäßdurchmessers, verliert der Signalverlauf den charakteristischen Unterschied zwischen den beiden Fasern 24, 26. 4 zeigt eine entsprechende schematische Darstellung des Signalverlaufs bei einem seitlichen Versatz der Annäherung der Sonde/Biopsienadel 12 der Vorrichtung 10 an das fluoreszierende Objekt/Blutgefäß 16. Hierbei ist das Verhältnis der zweiten zur ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objekts 16 bei einem unterschiedlichem seitlichen Versatz der Annäherung der Sonde 12 an das Objekt 16 verdeutlicht. Es zeigt sich, dass sich für das Verhältnissignal (Quotient der Signale der zweiten zur ersten Signalstärke/Intensität des Fluoreszenzsignals des Objekts 16) in Abhängigkeit des Abstands sich ein Maximum mit anschließendem Abfall nur bei ausreichend zentraler Annäherung ergibt. Damit ist auch eine zumindest relative Lagekontrolle der Sonde 12 bei Annäherung an das Objekt 16 möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- https://www.innocentive.com/ar/challenge/9932797 [0003]
