DE102017111957A1 - Phantom zum Prüfen eines Messgerätes zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie, insbesondere eines Gewebe-Oximeters und Verfahren zum Prüfen eines Messgerätes zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie an Gewebe - Google Patents

Phantom zum Prüfen eines Messgerätes zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie, insbesondere eines Gewebe-Oximeters und Verfahren zum Prüfen eines Messgerätes zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie an Gewebe Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Phantom (28) zum Prüfen eines Messgerätes zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie, insbesondere eines Gewebe-Oximeters, mit:
(a) einer Eingangsoptik mit zumindest einer Licht-Zuleitung (32),
(b) einer in einer Lichtflussrichtung hinter der zumindest einen Licht-Zuleitung (32) angeordnete Filtervorrichtung (34) und
(c) in Lichtflussrichtung hinter der Filtervorrichtung (34) angeordneten Licht-Ableitungen, die so zu der Filtervorrichtung (34) angeordnet sind, dass für jede der Licht-Ableitungen (40) das von ihr erfasste Licht mittels der Filtervorrichtung (34) individuell filterbar ist, und die weiterhin zum Sammeln des aus der Filtervorrichtung (34) austretenden Lichts zusammengeführt sind, sodass nach Beleuchten der Eingangsoptik (30) mit einem Eingangs-Lichtimpuls (12) Ausgangs-Photonen (16) mit einer vorgegebenen Photonen-Laufzeitverteilung (22) austreten,
(d) wobei sich die optischen Wege (wi) für Licht, das durch unterschiedliche Licht-Ableitungen (40) geleitet wird, so unterscheiden, dass eine Ausgangs-Pulslänge der Photonen-Laufzeitverteilung (22) größer ist als eine Eingangs-Pulslänge des Eingangs-Lichtimpulses (12) und
(e) wobei die Licht-Ableitungen (40) und die Filtervorrichtung so ausgebildet sind, dass eine Photonen-Laufzeitverteilung (22) der durch Gewebe (10) verursachten Photonen-Laufzeitverteilung entspricht.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Phantom zum Prüfen eines Messgerätes zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Prüfen eines Messgerätes zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie an Gewebe.
  • Derartige Messgeräte werden insbesondere in der medizinischen Diagnostik verwendet. Zur Messung werden Lichtimpulse in das zu untersuchende Gewebe abgegeben. Diese Lichtimpulse breiten sich im zu untersuchenden Gewebe aus und werden zu einem - in der Regel sehr kleinen - Anteil so aus dem Gewebe herausgestreut, dass sie einen Detektor des Messgerätes erreichen und von diesem detektiert werden. Je nachdem, wie viele Streuvorgänge stattgefunden haben und wie lang der Pfad war, den die beteiligen Photonen genommen haben, ergeben sich unterschiedliche Verzögerungszeiten zwischen dem Eingangs-Lichtimpuls und dem Zeitpunkt, zu dem das Austreten der Photonen detektiert wird. Um aussagekräftige Messergebnisse zu erhalten, ist in der Regel eine Zeitauflösung im Pikosekundenbereich notwendig.
  • Derartige Geräte müssen validiert werden, d.h. es ist festzustellen, ob die Messung der relevanten Messgrößen mit der erforderlichen Genauigkeit erfolgt. Das kann durch Vergleich mit einem Referenzmessverfahren erfolgen. Bei einem Messgerät in Form eines zerebralen Oximeters, auf das sich die Erfindung insbesondere auch bezieht, ist die Messgröße insbesondere die Sauerstoffsättigung im Gehirn. Eine in-vivo-Validierung erfolgt üblicherweise dadurch, dass an Probanden die Sauerstoffzufuhr mit der Atemluft gezielt reduziert wird und die entsprechend geänderte zerebrale Sauerstoffsättigung gemessen wird. Ein Referenzwert für die zu messende Sauerstoffsättigung im Gehirn wird aus der Sauerstoffsättigung des Blutes in der Jugularvene, die das venöse Blut aus dem Gehirn ableitet, und der arteriellen Sättigung gebildet. Dabei müssen Blutproben aus der Jugularvene in der Nähe der Schädelbasis und einer Arterie am Arm entnommen werden, die mittels Blutgasanalyse ausgewertet werden. Der Referenzwert wird beispielsweise als 0.75 mal jugularvenöse Sauerstoffsättigung plus 0.25 mal arterielle Sauerstoffsättigung gebildet. Es ist notwendig, die Sauerstoffzufuhr für einen Probanden gezielt zu verändern, um Messwerte in einem weiten Bereich aufzunehmen, im vorliegenden Fall in einem weiten Bereich der Sauerstoffsättigung.
  • Das aber wirft u.a. ethische Fragen auf, die vor allem mit der invasiven und nicht unbedenklichen Verwendung eines Jugularvenen-Katheters verbunden sind. Zudem ist es notwendig, dem Probanden die Sauerstoffzufuhr gezielt zumindest teilweise abzuschneiden, um Messergebnisse bis hin zu geringen Sauerstoffsättigungen zu erreichen.
  • Eine mögliche Alternative sind physikalische Phantome, die Erythrozyten in einer Streuflüssigkeit enthalten und in denen per Gasaustausch und/oder Hefe die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins geändert werden kann. Derartige Phantome sind komplex, nur schwer zu reproduzieren, und es ist kein einfaches Referenzmessverfahren verfügbar. Außerdem ist es nicht praktikabel, mit derartigen Phantomen mindestens zwei verschiedene Gewebeschichten oder komplexere Gewebestrukturen zu modellieren.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Prüfen, also insbesondere das Validieren, von zeitaufgelöst messenden diffus-optischen Spektrometern zu verbessern.
  • Die Erfindung löst das Problem durch ein Phantom mit den Merkmalen von Anspruch1.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8.
  • Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass der Eingangs-Lichtimpuls durch die unterschiedlich langen optischen Wege und das selektive Filtern so verändert wird, dass die Lichtausbreitung in biologischem, insbesondere menschlichem Gewebe simuliert wird. Es ist daher möglich, die oben genannten Messgeräte zu prüfen, ohne auf in-vivo-Messungen an Probanden angewiesen zu sein. So ist es möglich, die von Streuung und Absorption im Gewebe abhängige Photonen-Laufzeitverteilung anhand eines mathematischen Modells zu berechnen und das Phantom so auszubilden, dass es den Eingangs-Lichtimpuls mit dieser Photonen-Laufzeitverteilung beaufschlagt (mathematisch im Sinne einer Faltung).
  • Vorteilhaft ist zudem, dass durch eine derartige Berechnung auch Messdaten berechnet werden können, die an lebenden Probanden unter ethischen Gesichtspunkten nicht erfasst werden können. Ein Beispiel dafür ist eine lebensbedrohlich niedrige Sauerstoffsättigung im Gehirn.
  • Vorteilhaft ist zudem, dass im Falle des Vorliegens von in-vivo-Daten zur Validierung wiederholte Messungen überflüssig gemacht werden. In anderen Worten können einmal erfasste Messdaten, die die Antwort von biologischem Gewebe auf einen Lichtimpuls beschreiben, beliebig zeitlich und räumlich reproduziert werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Messgerätes zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie insbesondere ein Messgerät verstanden, das Lichtimpulse aus einer Quell-Optode an das Gewebe abgibt und einen Detektor zum Erfassen von Photonen aufweist, wobei das Messgerät aus der bei mehreren Wellenlängen gemessenen Photonen-Laufzeitverteilung die Konzentration verschiedener Chromophore, insbesondere von Oxy- und Desoxyhämoglobin und daraus die Hämoglobin-Sauerstoffsättigung, im Gewebe berechnet. In anderen Worten ist es möglich und stellt eine bevorzugte Ausführungsform dar, dass das Messgerät nicht nur eine Wellenlänge abgibt.
  • Bei dem zeitaufgelösten diffus-optischen Messgerät kann es sich beispielsweise um ein zerebrales Oximeter handeln. Zerebrale Oximeter messen die Sauerstoffsättigung, insbesondere des Blutes nicht-invasiv im Gehirn durch den Schädel hindurch.
  • Alternativ kann ein solches Messgerät auch die Sauerstoffsättigung des Blutes in Muskeln oder anderen Organen messen. Alternativ kann es sich bei dem Messgerät um ein Gerät zur Messung der Hämoglobinkonzentration und/oder der Konzentration anderer Chromophore handeln. Ein Beispiel für solche weiteren Chromophore ist die Cytochrom-c-Oxidase. Das Chromophor kann des Weiteren ein Marker sein, insbesondere ein Marker, der von Tumorzellen bevorzugt aufgenommen wird. Insbesondere verfügen solche Messgeräte über Pikosekunden-Zeitauflösung. D. h., dass die Impuls-Responsefunktion des Messgerätes (ohne Impulsverbreiterung im Messobjekt), die im Wesentlichen durch die Laserimpulsbreite und die Zeitauflösung von Detektor und Nachweiselektronik bedingt ist, eine Halbwertsbreite aufweist, die im Pikosekundenbereich liegt und die Erfassung der Laufzeitverteilung mit einer zeitlichen Schrittweite von wenigen Pikosekunden (z.B. zwischen 1 ps und 25 ps) erfolgt.
  • Unter dem Filtern wird insbesondere ein Herabsetzen der Intensität verstanden. Das ist gleichbedeutend mit dem Absorbieren zumindest eines Teils der einfallenden Photonen.
  • Günstig ist es, wenn die Eingangsoptik zudem eine Linse und/oder eine Polarisationsoptik aufweist. Unter einer Polarisationsoptik wird insbesondere ein optisches Bauteil verstanden, das dem einfallenden Licht eine Polarisation aufprägt.
  • Günstig ist es, wenn die Filtervorrichtung zeilenförmig oder matrixförmig angeordnete Filterelemente aufweist.
  • Günstig ist es, wenn die Licht-Zuleitung und/oder die Licht-Ableitungen einerseits und die Filtervorrichtung andererseits so ausgebildet sind, dass die Ausgangs-Pulslänge der Photonen-Laufzeitverteilung zumindest vierfach so groß ist, wie die Eingangs-Pulslänge, wenn die Eingangs-Pulslänge höchstens 250 Pikosekunden beträgt. Vorzugsweise beträgt die Ausgangs-Pulslänge zumindest eine Nanosekunde, wenn ein deltafunktionsförmiger Eingangs-Lichtimpuls auf die Eingangsoptik abgegeben wird.
  • Statt des Begriffs eines Phantoms könnte auch der Begriff einer Prüf-Vorrichtung verwendet werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Licht-Ableitungen und die Filtervorrichtung so ausgebildet, dass die Photonen-Laufzeitverteilung bei einem deltafunktionsförmigen Eingangs-Lichtimpuls derjenigen Laufzeitverteilung entspricht, die bei einer zeitaufgelösten in-vivo-Messung an menschlichem Gewebe, insbesondere Sauerstoffsättigungsmessung, erhalten würde. Auf diese Weise kann mit dem Phantom die Messung in einem realen Objekt simuliert werden.
  • Günstig ist es, wenn die Filtereinrichtung ansteuerbar veränderbar ist. Beispielsweise ist die Filtereinrichtung durch ein Flüssigkristall-Array gebildet. So ist dann möglich, die Pixel einzeln anzusteuern. So können mit dem Phantom nacheinander verschiedene Eigenschaften des zu simulierenden Gewebes simuliert werden. Beispielsweise kann eine sich verändernde Sauerstoffsättigung simuliert werden. Beispielsweise ist die Filtereinrichtung mittels elektrischer Signale, z. B. einer Spannung, veränderbar.
  • Vorzugsweise ist die Filtervorrichtung so ansteuerbar, dass die Filtertransmission zumindest für die Mehrzahl der Licht-Ableitungen verstellbar ist. Auf diese Weise kann die Form der Photonen-Laufzeitverteilung geändert werden. Vorzugsweise ist die Filtertransmission zumindest für die Mehrzahl der Licht-Ableitungen automatisch erstellbar, beispielsweise mittels eines elektrischen Signals.
  • Vorzugsweise umfasst die Filtervorrichtung einen räumlichen Lichtmodulator, insbesondere einen Flüssigkristall-Lichtmodulator. In diesem Fall ist es sinnvoll, wenn die Filtervorrichtung zudem einen Strahlteiler und einen Polarisator aufweist, sodass das Licht, das auf die Eingangsoptik einfällt, polarisiert wird und nachfolgend an eine Flüssigkristall-Matrix angeordnet sein, die eine pixelweise unterschiedliche Polarisationsdrehung bewirkt. Je nachdem wie die Polarisationsdrehung der einzelnen Pixel ausfällt, kann die Intensität des durch einen zweiten Polarisator ausfallenden Lichtes variiert werden. Auf diese Weise ergibt sich, zusammen mit der stufenweisen Verzögerung in den Licht-Ableitungen, eine einfache Möglichkeit, die Photonen-Laufzeitverteilung zu formen.
  • Vorzugsweise sind die Licht-Leitungen aus Gradientenindex-Lichtleitfasern aufgebaut. Das führt dazu, dass die Ausbreitung des Lichtes durch jede einzelne der Licht-Leitungen selbst nicht zu einer Verbreiterung des Eingangsimpulses führt.
  • Die Variation der optischen Wege (wi) in den Licht-Ableitungen wird vorzugsweise durch den Einsatz von Gradientenindex-Lichtleitfasern schrittweise unterschiedlicher Länge erreicht. Die Schrittweite der Faserlänge sollte dabei einer Zeitkanalbreite entsprechen, wie sie typisch bei der Erfassung von Laufzeitverteilungen eingesetzt wird. Insbesondere wird ein Inkrement der Verzögerung von 20 ps durch ein Inkrement der Faserlänge von 4 mm erreicht, wenn ein Brechungsindex des Fasermaterial von 1,5 angenommen wird. Der Zeitbereich einer Laufzeitverteilung wird dann mit typisch 100 Fasern derart schrittweise unterschiedlicher Länge abgedeckt.
  • Vorzugsweise variiert die Filtertransmission des Phantoms über einen Dynamikbereich von 1:100 bis 1:1000, was der Intensitätsdynamik in einer typischen Laufzeitverteilung entspricht. Das gesamte Phantom, einschließlich die Filtervorrichtung, sollte eine Gesamttransmission aufweisen, die der typischen diffusen Reflexion bzw. Transmission von Gewebe entspricht. Bei einem Quell-Detektor-Abstand von 3 cm, der für derartige Messungen am Kopf typisch ist, beträgt die totale diffuse Reflexion (summiert über die gesamte Laufzeitverteilung) etwa 5×10-3 mm-2. Das bedeutet, dass für ein eintreffendes Photon insgesamt 0,005 Photonen pro mm2 Gewebe austreten. Um einen solchen Wert zu simulieren, wird vorzugsweise ein zusätzliches Filter eingefügt, das das Licht aller Licht-Leitungen gleichermaßen abschwächt.
  • Vorzugsweise besitzt das Phantom eine elektrische Ansteuerung, die mit der Filtervorrichtung verbunden ist und einen digitalen Speicher aufweist, in dem alle Steuerdaten gespeichert sind, und die eingerichtet ist zum automatischen Ansteuern der Filtervorrichtung dergestalt, dass die durch das Phantom bewirkte Photonen-Laufzeitverteilung der durch Gewebe verursachten Photonen-Laufzeitverteilung entspricht. In anderen Worten ist die Ansteuerung so ausgebildet, dass sie die Filtervorrichtung so ansteuert, dass ein auf die Eingangsoptik abgegebener Lichtimpuls zu einer Photonen-Laufzeitverteilung der Photonen am Lichtsammler führt, der derjenigen Photonen-Laufzeitverteilung entspricht, die entstehen würde, wenn der Lichtimpuls auf ein menschliches Gewebe abgegeben würde. Die Ansteuerdaten werden entweder experimentell bestimmt oder anhand eines Modells berechnet.
  • Vorzugsweise besitzt der Lichtsammler eine Vielzahl an Licht-Ableitungen, die so relativ zur Filtervorrichtung angeordnet sind, dass für jedes der Filter-Elemente genau eine Licht-Ableitung existiert, für die gilt, dass das aus dem Filterelement austretendes Licht in die Licht-Ableitung gelangt. Auf diese Weise kann das Licht in jeder einzelnen der Licht-Ableitungen um einen genau einstellbaren Betrag geschwächt werden, was zu einer mit einer hohen Genauigkeit einstellbaren Photonen-Laufzeitverteilung führt. Der Lichtsammler besitzt eine Ausgangsfläche, aus der die Photonen austreten, wenn ein Lichtimpuls die Eingangsoptik trifft.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst vorzugsweise die Schritte: (a) Erzeugen des Eingangs-Lichtimpulses, der insbesondere von einer Quell-Optode des Mess-geräts abgegeben wird, auf der Eingangsoptik eines erfindungsgemäßen Phantoms (b) Erfassen von Ausgangs-Photonen, die aus einer Ausgangsfläche des Phantoms, insbesondere des Lichtsammlers des Phantoms, austreten, beispielsweise mittels einer Detektoroptode des Messgerätes, (c) Bestimmen eines Messergebnisses anhand der Ausgangs-Photonen mittels des Messgeräts und (d) Vergleichen des so erhaltenen Messergebnisses mit einem Soll-Messwert, der entweder experimentell in vivo in einer Situation gemessen wurde, aus der die dem Phantom aufgeprägten Laufzeitverteilungen abgeleitet wurden oder für den die resultierenden Laufzeitverteilungen anhand eines mathematischen Modells berechnet und dem Phantom aufgeprägt wurden.
  • Auf diese Weise kann das Messgerät geprüft werden, ohne dass in-vivo-Messungen an Probanden durchgeführt werden müssen.
  • Erfindungsgemäß ist zudem die Verwendung eines Phantoms gemäß Anspruch 10.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
    • 1a eine schematische Darstellung eines Eingangs-Lichtimpulses, der auf ein Gewebe trifft, so dass Ausgangs-Photonen entstehen, und die analoge Situation bei Verwendung des Phantoms
    • 1b mehrere Photonen-Laufzeitverteilungen in Abhängigkeit eines Abstands r zwischen dem Ort, an dem der Eingangs-Lichtimpuls in das Gewebe eingekoppelt wird und dem Ort, an dem die Ausgangs-Photonen mit Hilfe eines Detektors erfasst werden,
    • 1 c eine schematische Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
    • 2 die schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Phantoms.
  • 1 zeigt schematisch das Verhalten eines Gewebes 10, wenn ein Eingangs-Lichtimpuls 12 auf das Gewebe 10 abgegeben wird. Bei dem Gewebe handelt es sich wie in der gesamten Beschreibung um ein biologisches Gewebe, d. h. um einen Verband aus Zellen, insbesondere tierischen oder menschlichen Zellen. Im vorliegenden Fall handelt es sich bei dem Gewebe 10 um eine Schichtung von mehreren Gewebeschichten 14.i, wobei die erste Gewebeschicht 14.1 die Kopfhaut ist, die zweite Gewebeschicht 14.2 der Schädel und die dritte Gewebeschicht 14.3 der Cortex eines Menschen oder eines Tieres.
  • Der Eingangs-Lichtimpuls 12 fällt auf das Gewebe 10 und die Photonen interagieren mit den Bestandteilen des Gewebes 10. Der Eingangs-Lichtimpuls 12 tritt an einem ersten Ort P1 in das Gewebe 10 ein und an einen zweiten Ort P2 wieder aus. Der Eingangs-Lichtimpuls ist in guter Näherung deltafunktionsförmig, d. h. dass er eine Halbwertsbreite HWB von höchstens 250 Pikosekunden besitzt. Der Eingangs-Lichtimpuls ist beispielsweise ein monochromatischer Laserimpuls.
  • Am Ort P2 treten Ausgangs-Photonen 16 aus, die von einer schematisch eingezeichneten Detektoroptode 18 detektiert werden. Die Detektoroptode 18 ist am zweiten Ort P2 angeordnet, der einen Abstand r vom ersten Ort P1 hat, an dem eine Quell-Optode 20 zum Abgeben des Eingangs-Lichtimpulses 12 angeordnet ist.
  • Die Laufzeit variiert je nachdem, wie viele Streuprozesse stattgefunden haben, bevor das Ausgangs-Photon 16 austritt. Der zeitliche Abstand zwischen einem ersten Zeitpunkt T1 , zu dem der Eingangs-Lichtimpuls in das Gewebe abgegeben wird, und einem zweiten Zeitpunkt T2 , zu dem das Ausgangsphoton 16 auf die Detektor-Optode 18 trifft, ist die Laufzeit Δt=T2 - T1.
  • Bei längerer Laufzeit Δt ist es mit hoher Wahrscheinlichkeit zu mehr Streu- und/oder Absorptionsprozessen gekommen. Es treten daher solche Ausgangs-Photonen mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit aus, als solche Ausgangs-Photonen, die nur eine kurze Laufzeit Δt im Gewebe 10 zurückgelegt haben. Aus diesem Grund ergibt sich eine Photonen-Laufzeitverteilung 22, die bezüglich ihres Maximums asymmetrisch ist. Aus der Photonen-Laufzeitverteilung kann auf die Eigenschaften des Gewebes 10, beispielsweise auf seine Sauerstoffsättigung, geschlossen werden.
  • 1b zeigt ein Diagramm, bei dem die Anzahl der Ausgangs-Photonen logarithmiert auf der y-Achse eingezeichnet ist, die x-Achse ist die Laufzeit Δt. Dargestellt sind drei Verläufe für vier unterschiedliche Abstände r zwischen der Quell-Optode 20 am ersten Ort P1 und der Detektor-Optode 18 am zweiten Ort P2, P3 oder P4. Der Zeitpunkt Δt=0 ist gewählt als der Punkt, zu dem der Eingangs-Lichtimpuls sein Maximum durchläuft.
  • 1a zeigt schematisch, dass die Detektor-Optode 18 und die Quell-Optode 20 mit einer Mess- und Auswerteeinheit 24 verbunden sind, die gemeinsam Teil des Messgerätes 26 zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie sind. Das Messgerät 26 ist ausgebildet zum Bestimmen einer Konzentration eines Stoffes, beispielsweise von Oxyhämoglobin, Desoxyhämoglobin oder einem anderen Chromophor aus der Photonen-Laufzeitverteilung 22. Beispielsweise beträgt eine Folgefrequenz, mit der die Eingangs-Lichtimpulse das Gewebe 10 abgegeben werden, zumindest 10 MHz, vorzugsweise 40 MHz.
  • Für jeden Eingangs-Lichtimpuls 12 wird in der Regel höchstens ein Ausgangs-Photon 16 detektiert. Die Photonen-Laufzeitverteilung 22 wird mittels zeitkorrelierter Einzelphotonenzählung ermittelt. So ergibt sich ein Histogramm der Laufzeiten, das für eine große Anzahl an Ausgangs-Photonen 16 gegen die Photonen-Laufzeitverteilung 22 konvergiert. Die Messzeit beträgt vorzugsweise zumindest 300 ms, insbesondere zumindest 1 s.
  • 2 zeigt schematisch eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Phantoms 28 zum Prüfen des Messgerätes 26. Das Phantom 28 besitzt eine Eingangsoptik 30, die eine Vielzahl an Licht-Zuleitungen 32.i (i=1, 2, 3, ...,N) aufweist. Wird die Eingangsoptik 30 mit einem Eingangs-Lichtimpuls bestrahlt, so wird der Lichtfluss in die einzelnen Licht-Zuleitungen 32.i aufgespalten und gelangt so zu einer Filtervorrichtung 34. Die Filtervorrichtung 34 besitzt mehrere Pixel 36.i, wobei jedes einzelne Pixel genau einer Licht-Zuleitung 32.i zugeordnet ist. Das Licht aus einer Licht-Zuleitung 32.j gelangt so auf das Pixel 36.j. Hinter der Filtervorrichtung 34 ist ein Lichtsammler 38 angeordnet, der eine Vielzahl an Licht-Ableitungen 40.i aufweist. Das Licht, das aus einem Pixel 36.j austritt, tritt in die Licht-Ableitung 40.j ein. Die Licht-Ableitungen 40.i werden zusammengeführt und treten aus einer Ausgangsfläche 42 aus.
  • Die optischen Wege wi , die Licht zurücklegt, das in der i-Ableitung 40.i geführt wird, unterscheiden sich in der Regel von einem optischen Weg wj , wenn i ungleich j ist. Zudem ist eine Filtertransmission Fi des Pixel 36.i davon abhängig, in welcher Licht-Ableitung 32 das Licht geführt wird.
  • 1c zeigt die Funktionsweise des Phantoms 28. Im Teilbild oben sind die Teil-Lichtimpulse gezeigt, die aus dem Eingangs-Lichtimpuls durch das Aufteilen auf die Licht-Zuleitungen 32.i entstehen. Diese fallen auf die Filtervorrichtung 34. Je nach Filtertransmissionen Fi wird das Licht unterschiedlich stark geschwächt. Es ergibt sich die im mittleren Teilbild gezeigte Intensitätsverteilung. Das so gefilterte Licht gelangt in die Licht-Abteilung 40.i. Die unterschiedlichen optischen Wege wi sind im unteren Teilbild schematisch dargestellt. Im Lichtsammler vereinigen sich die unterschiedlichen Lichtströme, sodass sich die Photonen-Laufzeitverteilung 22 ergibt.
  • Diese entspricht derjenigen Photonen-Laufzeitverteilung, die in 1a für ein reales biologisches Gewebe erhalten wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Gewebe
    12
    Eingangs-Lichtimpuls
    14
    Gewebeschicht
    14.1
    Kopfhaut
    14.2
    Schädel
    14.3
    Cortex
    16
    Ausgangs-Photon
    18
    Detektor-Optode
    20
    Quell-Optode
    22
    Photonen-Laufzeitverteilung
    24
    Mess- und Auswerteeinheit
    26
    Messgerät
    28
    Phantom
    30
    Eingangsoptik
    32
    Licht-Zuleitung
    34
    Filtervorrichtung
    36
    Pixel
    38
    Lichtsammler
    40
    Licht-Ableitung
    42
    Ausgangsfläche
    P1
    erster Ort
    P2
    zweiter Ort
    HWB
    Halbwertsbreite
    r
    Abstand
    Δt
    Laufzeit
    i,j
    Laufindex
    N
    Zahl der Licht-Leitungen
    wi
    optischer Weg
    F
    Filtertransmission

Claims (10)

  1. Phantom (28) zum Prüfen eines Messgerätes zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie, insbesondere eines Gewebe-Oximeters, mit: (a) einer Eingangsoptik mit zumindest einer Licht-Zuleitung (32), (b) einer in einer Lichtflussrichtung hinter der zumindest einen Licht-Zuleitung (32) angeordnete Filtervorrichtung (34) und (c) in Lichtflussrichtung hinter der Filtervorrichtung (34) angeordneten Licht-Ableitungen, die so zu der Filtervorrichtung (34) angeordnet sind, dass für jede der Licht-Ableitungen (40) das von ihr erfasste Licht mittels der Filtervorrichtung (34) individuell filterbar ist, und die weiterhin zum Sammeln des aus der Filtervorrichtung (34) austretenden Lichts zusammengeführt sind, sodass nach Beleuchten der Eingangsoptik (30) mit einem Eingangs-Lichtimpuls (12) Ausgangs-Photonen (16) mit einer vorgegebenen Photonen-Laufzeitverteilung (22) austreten, (d) wobei sich die optischen Wege (wi) für Licht, das durch unterschiedliche Licht-Ableitungen (40) geleitet wird, so unterscheiden, dass eine Ausgangs-Pulslänge der Photonen-Laufzeitverteilung (22) größer ist als eine Eingangs-Pulslänge des Eingangs-Lichtimpulses (12) und (e) wobei die Licht-Ableitungen (40) und die Filtervorrichtung so ausgebildet sind, dass eine Photonen-Laufzeitverteilung (22) der durch Gewebe (10) verursachten Photonen-Laufzeitverteilung entspricht.
  2. Phantom (28) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht-Ableitungen (40) und die Filtervorrichtung (34) so ausgebildet sind, dass die Photonen-Laufzeitverteilung (22) bei einem deltafunktionsförmigen Eingangs-Lichtimpuls (12) derjenigen Laufzeitverteilung entspricht, die bei einer zeitaufgelösten oximetrischen in-vivo-Messung erhalten würde.
  3. Phantom (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Filtereinrichtung (34) ansteuerbar veränderbar ist.
  4. Phantom (28) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtervorrichtung (34) einen räumlichen Lichtmodulator, insbesondere einen Flüssigkristall-Lichtmodulator, beinhaltet.
  5. Phantom (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Licht-Ableitungen (32) aus Gradientenindex-Glasfasern aufgebaut sind.
  6. Phantom (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangsoptik (30) eine Vielzahl an Licht-Zuleitungen (32) aufweist, die so relativ zur Filtervorrichtung (34) angeordnet sind, dass für jede der Licht-Ableitungen (40) genau eine Licht-Zuleitung (32) existiert, für die gilt, dass aus der Licht-Zuleitung austretendes Licht auf die Filtervorrichtung (34) trifft und in diese Licht-Ableitung (40) gelangt.
  7. Phantom (28) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtervorrichtung (34) - einen wellenlängenselektiven Lichtumleiter, insbesondere ein dispergierendes Element, und - ein Array aus Filterelementen aufweist, - wobei die Filterelemente so angeordnet sind, dass die Filterwirkung von der Wellenlänge des Lichts abhängt, - so dass in Abhängigkeit von der Wellenlänge unterschiedliche Laufzeitverteilungen erzeugbar sind.
  8. Verfahren zum Prüfen eines Messgeräts zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie an Gewebe (10), insbesondere eines zerebralen Oximeters, gekennzeichnet durch die Schritte: (i) Beleuchten einer Filtervorrichtung (34) mit einem Eingangs-Lichtpuls (12) mittels einer Eingangsoptik (30), wobei jedes Filter-Element einen Teil-Lichtimpuls erhält, (ii) Filtern zumindest eines Teils der Teil-Lichtpulse mittels einer Filtervorrichtung (34), wobei sich die Filtertransmission (F) für zumindest einen Teil der Teil-Lichtimpulse untereinander unterscheidet, (iii) Führen der Teil-Lichtimpulse auf verschieden langen optischen Wegen (wi), und (iv) Zusammenführen der Teil-Lichtpulse mittels eines Lichtsammlers (38) in Lichtflussrichtung hinter der Filtervorrichtung (34), sodass Ausgangs-Photonen (16) aus einer Ausgangsfläche austreten, (v) wobei die optischen Wege (wi) so gewählt werden und das Filtern so durchgeführt wird, dass eine dadurch bewirkte Photonen-Laufzeitverteilung (22) der durch Gewebe (10) verursachten Photonen-Laufzeitverteilung entspricht.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Schritte: (a) Erzeugen des Eingangs-Lichtimpulses (12) mittels des Messgeräts auf der Eingangsoptik (30) des Phantoms (28), (b) Erfassen von Ausgangs-Photonen (16), die aus einer Ausgangsfläche des Phantoms (28) austreten, (c) Bestimmen eines Messergebnisses, insbesondere einer Mess-Sauerstoffsättigung des Hämoglobins im Gewebe, aus der bei zumindest zwei Wellenlängen gemessenen Ausgangs-Photonen-Laufzeitverteilung (22) mittels des Messgeräts und (d) Vergleichen des so erhaltenen Messergebnisses mit einem Soll-Messergebnis für die Hämoglobin-Sauerstoffsättigung des Blutes im Gewebe, das experimentell in vivo in einer Situation gemessen wurde, aus der die dem Phantom aufgeprägten Laufzeitverteilungen abgeleitet wurden oder für den die resultierenden Laufzeitverteilungen anhand eines mathematischen Modells berechnet und dem Phantom aufgeprägt wurden.
  10. Verwendung eines Phantoms (28) mit (a) einer Eingangsoptik (30), die eine Vielzahl an Licht-Zuleitungen (32) aufweist, (b) einer in einer Lichtflussrichtung hinter den Licht-Zuleitungen (32) angeordneten Filtervorrichtung (34), die so zu den Licht-Zuleitungen (32) angeordnet ist, dass für jede der Licht-Zuleitungen (32) das von der Licht-Zuleitung (32) geleitete Licht mittels der Filtervorrichtung (34) individuell filterbar ist, und (c) einem in Lichtflussrichtung hinter der Filtervorrichtung (34) angeordneten Lichtsammler (38) zum Sammeln des aus der Filtervorrichtung (34) austretenden Lichts, sodass nach Beleuchten der Eingangsoptik (30) mit einem Eingangs-Lichtimpuls (12) Ausgangs-Photonen (16) mit einer vorgegebenen Photonen-Laufzeitverteilung (22) austreten, (d) wobei sich die optischen Wege (wi) für Licht, das durch unterschiedliche Licht-Ableitungen (32) geleitet wird, so unterscheiden, dass eine Ausgangs-Pulslänge der Photonen-Laufzeitverteilung (22) der Ausgangs-Photonen (16) größer ist als eine Eingangs-Pulslänge des Eingangs-Lichtimpulses (12), zum Prüfen eines Messgeräts zur zeitaufgelösten diffusen optischen Spektroskopie (26), insbesondere eines Gewebe-Oximeters.
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