DE10215212B4

DE10215212B4 - Anordnung zur optischen Messung von Schwellungszuständen der Nase

Info

Publication number: DE10215212B4
Application number: DE2002115212
Authority: DE
Inventors: Uwe Dr.-Ing. Hampel; Eckhard Dipl.-Ing. Schleicher; Eike Dr.-med. Wüstenberg; Uwe Oehmichen; Karl-Bernd Prof. Dr.-med. Hüttenbrink
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2022-04-03
Also published as: CN1326488C; CN1646054A; JP2005521451A; WO2003082089A1; EP1492447A1; DE10215212A1; CA2480970A1; AU2003229517A1

Abstract

Anordnung zur optischen Messung von Schwellungszuständen der Nase, bestehend aus
– einem Grundgerät (12) mit Lichterzeugungskomponente (13) und Lichtdetektionskomponenten (14) sowie zugeordneter Senderelektronik (15) und Empfängerelektronik (16) und Controller (17),
– außerhalb des Grundgerätes (12) anordenbaren Sende- und Empfangselement (2, 3),
– einer optischen Verbindung (6) zwischen optischem Sendeelement (2) und Grundgerät (12), wobei das Licht der im Grundgerät (12) angeordneten Lichterzeugungskomponenten (13) durch entsprechende optische Elemente (18) in die optische Verbindung (6) geleitet wird;
– außerhalb des Grundgerätes (12) anordenbaren optischen Empfänger(n) (3),
– einer optischen Verbindung (7) zwischen optischem Empfangselement (3) und Grundgerät (12),
dadurch gekennzeichnet, dass
– ein Applikationsteil (1) vorgesehen ist, welches durch seinen spangenförmigen Grundkörper und dessen starre oder leicht flexible Form über den Nasenrücken formschlüssig an die Nase anlegbar ist,
– die optischen Sende- und Empfangselemente (2, 3) auf dem Applikationsteil (1) so angeordnet sind, dass...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Messung von Schwellungen des Nasengewebes, welche sich durch eine nichtinvasive Applikation von außen sowie eine einfache Handhabung auszeichnet.
Aus medizinischer Sicht besteht ein Erfordernis für eine Objektivierung der Messung des Schwellungsverlaufes z. B. bei allergischen Reaktionen, die beispielsweise beim nasalen Provokationstest hervorgerufen werden.

Die Diagnostik einer allergischen Rhinitis erfolgt heutzutage durch das Erheben eines Symptomscores (Niesreiz, Sekretion, Fernsymptome wie Augentränen) sowie durch die Messung der nasalen Obstruktion nach Allergenprovokation mit Hilfe der Rhinomanometrie (Clement et al.: „Rhinomanometry – a review", ORL J. Otorhinolaryngol. Relat. Spec. 46, 173–91, 1984). Nachteil der Rhinomanometrie hierbei ist, dass die Messung nicht während der Allergenapplikation durchgeführt werden kann. Bei starker nasaler Obstruktion wird die Rhinomanometrie vom Patienten als sehr unangenehm empfunden. Fehlmessungen bei unkooperativen Patienten treten häufig auf.

Eine weitere Möglichkeit der Bestimmung des Schwellungszustandes der Nasenschleimhaut ist die akustische Rhinometrie (Fisher: „Acoustic rhinometry", Clin. Otolaryngol. 22, 307–17, 1997). Diese Messungen haben eine relativ große Streubreite der Ergebnisse. Eine ausreichende Genauigkeit wird nur für die vorderen Nasenabschnitte erreicht. Während der Messung kann keine Medikamenten- bzw. Allergenprovokation erfolgen. Eine kontinuierliche Messung ist auch bei diesem Verfahren nicht möglich. Weiterhin ist mit beiden Verfahren keine Aussage möglich, ob eine nasale Schwellung auf einer Änderung der Mikrozirkulation oder einer Ödembildung beruht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung anzugeben, die eine objektive Messung von Schwellungen des Nasengewebes, insbesondere während der Durchführung von Provokationstests gewährleistet.

Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung beruht auf einer Anordnung, mit der auf optischem Wege die Schwellung des Nasengewebes erfasst wird. Dabei wird das Nasengewebe von außen mit einer geeigneten Lichtquelle bestrahlt und durch einen Detektor das durch das Gewebe hindurchtretende Streulicht auf der gegenüberliegenden Nasenseite erfasst. Das Licht passiert bei seinem Durchgang durch das Nasengewebe eine Reihe von Gewebeschichten, wie Haut, Muskulatur, Schleimhaut, Knochen, Knorpel, sowie die Luftwege. Ein Teil des durchdrungenen Gewebes zeichnet sich durch Schwellfähigkeit aus, insbesondere die über den Knochen der Nasenmuscheln liegende Nasenschleimhaut. In diesem Teil des Gewebes kommt es im Verlauf der Schwellung zu einer Zunahme des Blutvolumens infolge des Einströmens von Blut in die Schwellkörper. Das zuströmende Blut ist dabei vorrangig arterieller Natur und damit im Normalfall zu mindestens 95% mit Sauerstoff gesättigt. Weiterhin kommt es im Falle einer mit der Schwellung möglicherweise verbundenen Ödembildung zu einer Zunahme des Gewebewasservolumens. Es ist daher vorteilhaft, die Durchstrahlung spektrometrisch durchzuführen, um die Volumenanteile des oxygenierten und deoxygenierten Hämoglobins sowie des Gewebewassers quantitativ getrennt erfassen zu können. Dies kann entweder durch Verwendung einer Weißlichtquelle und eines Spektrometerdetektors (z. B. Diodenzeilenspektrometer) oder durch Verwendung von mehreren Lichtquellen mit diskreten Strahlungsspektren (LEDs, Laserdioden) erfolgen.

Da die genannten, an der Schwellung beteiligten Stoffe unterschiedliche optische Absorptionsspektren besitzen, ist eine getrennte Absolut- bzw. Relativbestimmung der Volumenanteile mit entsprechenden mathematischen Methoden möglich. Eine derartige Anordnung ist bis heute nicht beschrieben.

Die Gestaltung der Anordnung ist dem Untersuchungszweck angepasst. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Applikationsteil in Vorderansicht (a) und Ansicht von oben (b)
2 zwei Ausführungsvarianten eines Applikationsteils mit aktiven Sende- und Empfangselementen (a) sowie passiven Sende- und Empfangselementen (b)
3 ein Applikationsteil und dessen Fixierung an Kopf und Nase
4 ein Grundgerät einer erfindungsgemäßen Anordnung
5 eine schematische Darstellung des Nasenquerschnitts, mit Darstellung der Lage der optischen Elemente und des Durchstrahlungskanals vor und nach einer Schwellung
6 eine schematische Darstellung der Extinktionsmesswerte im Verlauf einer Schwellung Die erfindungsgemäße Anordnung besteht mindestens aus einem Grundgerät 12 mit der für die Erfüllung der Messaufgabe erforderlichen Sender- 15 und Empfängerelektronik 16 sowie einem Applikationsteil 1, welches sich während der Messung in direktem Kontakt mit dem Nasengewebe befindet.
Ein Applikationsteil 1 ist in 1a und b dargestellt. Es besteht aus einem spangenförmigen Grundkörper, dessen beide Seiten formschlüssig an die Nasenflügel angelegt werden können. Auf der einen Seite des Applikationsteils 1 ist das lichtabstrahlende Element, optische Sendelement 2, auf der gegenüberliegenden Seite das lichtempfangende Element, optische Empfangselement 3 angeordnet. Diese sind entweder als diskrete Strahlungsquellen bzw. Detektoren ausgeführt, deren optische Achsen in Richtung des Gewebes ausgerichtet sind ( 2a) und die über stromführende Kabel 4 mit dem Grundgerät 12 verbunden sind, oder anderenfalls als optische Verbindungen 6, 7, die die Lichtübertragung vom und zum Grundgerät 12 realisieren und die entweder mit ihren abstrahlenden Flächen senkrecht an das Nasengewebe geführt werden oder durch Anordnung entsprechender optischer Umlenkelemente 5 (Spiegel, Mikroprismen) auf das Gewebe ausgerichtet sind (2b).
Die Fixierung des Applikationsteils 1 erfolgt gemäß 3 mit Hilfe eines am Kopf angebrachten Stirnträgerbandes 8. Dieses sorgt für eine feste Position des Applikationsteils 1 auf dem Nasenrücken während der Messung. Das Applikationsteil ist über einen Bügel 10 mit dem Trägerband 8 verbunden. Die Verbindung ist so gestaltet, dass eine exakte Positionierung des Applikationsteils auf dem Nasenrücken, z. B. durch ein arretierbares Kugelgelenk 9 oder einen flexiblen Metallschlauch, möglich ist. Weitere diesbezügliche Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung können wie folgt gestaltet sein:
das Applikationsteil ist an der Nase adhäsiv befestigt;
das Applikationsteil wird mit Hilfe eines elastischen bzw. im Umfang auf die Kopfgröße einstellbaren Bandes direkt an die Nase angepresst;
das Applikationsteil ist als brillenähnliches Gestell ausgeführt, welches auf der Nasenwurzel sitzt und bei welchem die optischen Sende- und Empfangselemente durch die Schwerkraft am Nasengewebe angedrückt werden;
eine Anordnung, bei der die Sende- und Empfangselemente auf zwei separaten Grundelementen (Pads) angeordnet sind, welche getrennt voneinander auf jeder Nasenseite adhäsiv befestigt werden.
Für eine genaue und reproduzierbare Messung ist neben der räumlich stabilen und bewegungsfreien Fixierung des Applikationsteils an der Nase auch die Unterdrückung und/oder Herauskalibrierung von Fremdlichteinflüssen wichtig. Daher ist es vorteilhaft, den Messort während der Messung durch eine lichtundurchlässige Kappe abzudecken, welche z. B. als Kunststoffkappe mit am Trägerband fixiert sein kann und bei Bedarf während der Untersuchung über das Messfeld geklappt wird.
In der 4 ist ein Grundgerät 12 mit geräteinternen Lichterzeugungskomponenten 13 und Lichtdetektionskomponenten 14 dargestellt, an welches über die optischen Verbindungen 6, 7 ein zuvor beschriebenes Applikationsteil 1 anschließbar ist. Das Grundgerät 12 besteht aus einer Senderelektronik 15 für die optischen Lichterzeugungskomponenten 13, einer Empfängerelektronik 16 und einem Controller 17, an den über eine Datenschnittstelle weitere Geräte anschließbar sind. Die Senderelektronik 15 verfügt an ihrem Ausgang über mehrere Lichterzeugungskomponenten 13, deren Licht durch ein optisches Element 18 gebündelt wird. Das gebündelte Licht wird in eine optische Verbindung 6 eingeleitet. Mit dem Eingang der Empfängerelektronik 16 ist eine Lichtdetektionskomponente 14 verbunden, in welche Licht aus der optischen Verbindung 7 einfällt.
Für die optische Messung von Schwellungszuständen und die Differenzierung von Schwellungsursachen ist eine spektrometrische Messung vorteilhaft. Dafür können Lichtquellen mit begrenztem Spektrum (LEDs, Halbleiterlaser) und ein für den ausgesuchten Spektralbereich hinreichend empfindlicher Photodetektor (Halbleiterphotodetektor, Photomultiplier) verwendet werden. Alternativ können eine Weißlichtquelle und ein spektrometrisch auflösend messender Detektor eingesetzt werden. Ziel der Messung ist die Erfassung von Lichtschwächungswerten (optische Dichte des Gewebes) bei einzelnen interessierenden Wellenlängen im Zeitverlauf. Diese ergibt sich aus der Beziehung
wobei I_S(λ,t) die am Sendeelement abgestrahlte Lichtintensität und I_D(λ,t) die am Empfangselement ankommende Lichtintensität bei der Wellenlänge λ und zum Zeitpunkt t bezeichnen. Die Extinktion E(λ,t) ist im Allgemeinen eine Funktion der Lichtstreuung und der Lichtabsorption in Gewebe und liefert damit einen Messwert für die geometrische und optische Veränderung des Gewebes. Durch Differenzbildung E(λ₁,t) – E(λ₂,t) bei zwei Wellenlängen kann ein Relativmaß der Änderung bestimmt werden, welches das Verhältnis der Volumenänderungswerte einzelner Gewebekonstituenten wiedergibt und weitestgehend von geometrischen Effekten befreit ist. So ist beispielsweise bei Verwendung einer hämoglobinsensitiven Wellenlänge von λ₁ = 800 nm und einer H₂O-sensitiven Wellenlänge von λ₂ = 970 nm das Verhältnis zwischen Blut- und Gewebewasserzunahme darstellbar. Weiterhin ist es durch Anwendung spezieller optischer Messtechniken möglich, Streu- und Absorptionseigenschaften des Gewebes getrennt zu bestimmen. Dazu sind Photonenlaufzeitmessungen mit Hilfe einer Hochfrequenzmodulationstechnik (Intensitätsmodulation der Lichtquelle/n und Amplituden- und Phasenmessung des Empfängersignals) bzw. einer Pulslasertechnik (Applikation kurzer Laserpulse und zeitaufgelöste Messung des Empfängersignals) erforderlich. Diese Messmethoden sowie dazugehörige mathematische Verfahren zur Bestimmung optischer Parameter aus solchen Messdaten sind Stand von Wissenschaft und Technik (z. B. Sevick et al.: „Quantitation of time- and frequency resolved optical spectra for the determination of tissue oxygenation", Anal. Biochem. 195, 330–51, 1991; Patterson et al., "Time resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties", Appl. Opt., 28, 2331–36, 1989).
Der Ablauf einer medizinischen Messung soll hier am Beispiel einer provozierten allergischen Reaktion (Provokationstest) erläutert werden. Nach Vorbereitung der zu untersuchenden Person wird das Applikationsteil auf dem Nasenrücken in der Nähe der Nasenwurzel so fixiert, dass sich die optischen Sende- und Empfangselemente am Gewebe gegenüberstehen und die optische Strahlung möglichst viel schwellfähiges Gewebe im Inneren der Nase durchdringt ( 5). Danach ist durch vorgesehene Maßnahmen für ein möglichst optimales photometrisches Signal zu sorgen. Dies erfolgt mit Hilfe einer manuellen, automatischen oder halbautomatischen Einstellung von Quellintensität(en) und/oder Detektorempfindlichkeit in einen für die Messung geeigneten Bereich mittels optomechanischer, elektronischer und/oder softwaretechnischer Einstellmöglichkeiten. Die Datenerfassung wird dann manuell durch den Bediener gestartet. Gesteuert durch den grundgerätinternen Controller 17 erfolgt ein wiederholtes sequentielles Schalten der Strahlungsquellen durch die Senderelektronik 15 und zeitgleich die Erfassung der Detektormesswerte durch die Empfängerelektronik 16. Durch getrennte Messung des Umgebungslichtes (Dunkelsignal) bei ausgeschalteten Lichtquellen oder alternativ durch eine Messung des AC-Anteils eines genügend hoch modulierten Lichtsignals der Lichtquellen kann dafür gesorgt werden, dass nur das durch die Lichtquellen erzeugte Licht und nicht das in die Messvorrichtung eventuell einfallende Umgebungslicht gemessen wird.
In der 6 sind schematisch Extinktionsmesswerte im Verlauf einer Schwellung dargestellt. Die spektralen Lichtschwächungswerte im unprovozierten Zustand stellen die Grundlinie der Messung dar. Ist diese in einem ausreichend langen Zeitfenster (ca. 1 bis 2 Minuten) erfasst, wird ein allergener Stoff durch Zerstäuben in eine oder beide Nasenhöhle(n) verabreicht und der Messzeitpunkt, z. B. durch Betätigung eines Fußschalters zum Verabreichungszeitpunkt t_P, geeignet aufgezeichnet. Bei einer allergischen Reaktion beginnt dann eine Schwellung des Nasengewebes, welche eine nachweisbare Zunahme der spektralen Extinktion bewirkt. In 6 sind die spektralen Extinktionswerte dargestellt, welche zur besseren Verständlichkeit am Anfangszeitpunkt t_P normiert wurden. Nach genügend langer Zeit erreicht die Schwellung zum Zeitpunkt t_E einen stationären Zustand, an dem keine weitere Schwellung mehr nachweisbar ist. Erst nach einer Zeit t >> t_E – t_P klingt die Schwellung wieder ab. Diagnostisch verwertbare Informationen sind aus dem Zeitverlauf der spektralen Extinktionswerte bestimmbar. Zu diesen zählen insbesondere:
der Anstieg ΔE(λ) = E(λ,t_E) – E(λ,t_P) der Extinktion für eine Wellenlänge als Maß für die Stärke
der Schwellung;
die Extinktionswertedifferenz ΔE(λ₁) – ΔE(λ₂) bei verschiedenen Wellenlängen als Maß für die Zunahme der Volumenanteile verschiedener Gewebekonstituenten relativ zueinander;
die zeitliche Differenz Δt = t_E – t_P der Reaktion vom Provokationszeitpunkt bis zum stationären Endzustand als Maß für die Schwellungsgeschwindigkeit sowie die Form der Kurven E(λ,t) als Indikator für den physiologischen Ablauf der Schwellung.

1: Applikationsteil
2: optisches Sendeelement
3: optisches Empfangselement
4: stromführendes Kabel
5: optisches Umlenkelement
6: optische Verbindung zum Sendeelement
7: optische Verbindung zum Empfängerelement
8: Stirnträgerband
9: Kugelgelenk
10: Befestigungsbügel
11: Durchstrahlungskanal
12: Grundgerät
13: Lichterzeugungskomponenten
14: Lichtdetektionskomponente
15: Senderelektronik
16: Empfängerelektronik
17: Controller
18: optisches Element

Claims

Anordnung zur optischen Messung von Schwellungszuständen der Nase, bestehend aus – einem Grundgerät (12) mit Lichterzeugungskomponente (13) und Lichtdetektionskomponenten (14) sowie zugeordneter Senderelektronik (15) und Empfängerelektronik (16) und Controller (17), – außerhalb des Grundgerätes (12) anordenbaren Sende- und Empfangselement (2, 3), – einer optischen Verbindung (6) zwischen optischem Sendeelement (2) und Grundgerät (12), wobei das Licht der im Grundgerät (12) angeordneten Lichterzeugungskomponenten (13) durch entsprechende optische Elemente (18) in die optische Verbindung (6) geleitet wird; – außerhalb des Grundgerätes (12) anordenbaren optischen Empfänger(n) (3), – einer optischen Verbindung (7) zwischen optischem Empfangselement (3) und Grundgerät (12), dadurch gekennzeichnet, dass – ein Applikationsteil (1) vorgesehen ist, welches durch seinen spangenförmigen Grundkörper und dessen starre oder leicht flexible Form über den Nasenrücken formschlüssig an die Nase anlegbar ist, – die optischen Sende- und Empfangselemente (2, 3) auf dem Applikationsteil (1) so angeordnet sind, dass beim Anlegen des Applikationsteils (1) an der Nase das Licht zwischen Sende- und Empfangselement das Nasengewebe unter partieller Durchdringung schwellfähigen Gewebes von einer Seite der Nase zur anderen dringt, – wobei der zeitliche Verlauf , der spektralen Extinktion der durch die Lichtsendeelemente 13 erzeugten optischen Strahlung bei ausgewählten Emissionwellenlängen vor und während einer natürlichen oder provozierten Schwellung des inneren Nasengewebes aufgezeichnet wird und daraus diagnostisch verwertbare Parameter errechnet und zur Darstellung gebracht werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Applikationsteil (1) formschlüssig an der Nase adhäsiv oder über ein dehnbares/längenverstellbares um den Hinterkopf laufendes Halteband durch Andruck auf der Nase fixiert werden kann.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Applikationsteil (1) aus zwei separaten Einheiten (Pads) besteht, auf welchen die optischen Sende- und Empfangselemente (2, 3) getrennt angeordnet sind und welche adhäsiv und unabhängig voneinander auf jeder Seite der Nase befestigt werden.
Anordnung nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Applikationsteil (1) durch eine justierbare mechanische Verbindung (9, 10) mit einem Kopfträgerband (8) verbunden ist, um für die Messdauer eine stabile Fixierung an der Nase zu gewährleisten.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Messfeld durch eine an den Elementen 8, 9, 10 angebrachte lichtundurchlässige Kappe während der Messung von Umgebungslicht abgeschirmt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichterzeugung durch eine Vielzahl von Lichtquellen (13) (LEDs, Laser) mit verschiedenen Emissionswellenlängen sowie die Lichtdetektion durch einen einzelnen Photodetektor (14) (Photohalbleiterdetektor, Photomultiplier) realisiert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messprozedur verschiedene Lichtquellen (13) unterschiedlicher Emissionswellenlängen (LEDs, Laser) über die Senderelektronik (15) nacheinander hell schaltet und am Photodetektor (14) die transmittierte Lichtintensität erfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messprozedur zusätzlich einen Dunkelwert bei ausgeschalteten Lichtquellen (13) zur Korrektur von Umgebungseinflüssen erfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messprozedur die Intensität der Lichtquellen (13) zeitgleich zur Transmissionsmessung aufzeichnet, um damit die in das Gewebe abgestrahlte optische Ausgangsleistung mit zu erfassen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Senderelektronik (15) eine konstante optische Leistung der Lichtquellen (13) regelt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichterzeugung durch eine einzelne Weißlichtquelle (13), insbesondere eine Halogenlampe sowie die Lichtdetektion durch einen Spektrometerdetektor (14) zur spektrometrischen Differenzierung verschiedener Gewebebestandteile realisiert wird.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Lichtquellen (13) mit verschiedenen Trägerfrequenzen durch die Senderelektronik (15) intensitätsmoduliert werden und eine Detektorelektronik (16) die Signale der gleichzeitig strahlenden Lichtquellen (13) durch ein Frequenzdemultiplexingverfahren getrennt erfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Senderelektronik (15) die Lichtquelle(n) (13) mit einer Hochfrequenz moduliert sowie eine Detektorelektronik (16), welche aus dem vom Photodetektor (14) kommenden intensitätsmodulierten Signal durch Demodulation eine Bestimmung von Phasenverschiebung und Amplitudendämpfung realisiert.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass (eine) Lichtquelle(n) (13) mit entsprechender Senderelektronik (15) sehr kurze Lichtpulse (< 1 ns) abstrahlt und ein zeitaufgelöst messender Empfänger (14) mit zugehöriger Detektorelektronik (16) die temporalen Photonenankunftsverteilung erfasst.