DE3844651C2

DE3844651C2 -

Info

Publication number: DE3844651C2
Application number: DE19883844651
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr.Med. Kessler; Klaus H. Dr.Rer.Nat. 8520 Erlangen De Frank
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1988-07-26
Publication date: 1993-06-24
Also published as: DE3844651A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln der Rückstreuung von Licht in tierischen und menschlichen Geweben, mit einem Licht in das Gewebe einstrahlenden Lichtleiter, mit mindestens zwei rückgestreutes Licht aufnehmenden Lichtleitern, und mit einer Auswerteeinheit für jeden der aufnehmenden Lichtleiter.

Eine solche Vorrichtung ist aus der europäischen Patentanmeldung 81 303 738.9 (Veröffentlichungsnummer: 00 47 094) bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Überwachung von Gewebeveränderungen auszubilden.

Dies wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Die Beobachtung solcher Veränderungen, z. B. der Größenänderung von Mitochondrien, ist von besonderer praktischer Bedeutung, da sie z. B. ermöglicht, ein Gehirnödem frühzeitig zu erkennen.

Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach Anspruch 1 gerichtet.

Die Auswerteinheit kann analog wie die des Erlanger Mikrolichtleiterspektrophotometers aufgebaut sein. Es läßt sich dann bspw. eine Verflachung oder sonstige Verformung der Rückstreucharakteristik erkennen, was wiederum einen Schluß auf die Veränderung der Partikelgröße erlaubt.

Der Bereich, in den eingestrahlt wird, hat eine verhältnismäßig kleine Oberfläche, typischerweise im Bereich von 50-500 µm Durchmesser, verstanden. Die Tiefenerstreckung im Gewebe hängt von zahlreichen Faktoren ab und liegt (Abfall auf 1/e) in der Größenordnung von 150 µm. Wie weiter unten noch ausgeführt werden wird, ist aber das Gewebevolumen, aus dem die Remission erhalten wird, sowohl gewebespezifisch als auch gerätespezifisch und ferner noch abhängig von der Hämoglobin-Konzentration.

Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 2 lassen sich klare Intensitätsverteilungskurven erhalten, die Rückschlüsse auf Veränderungen, insbesondere die Größenänderung, der Partikel erlauben.

Gemäß Anspruch 3 sind konzentrische Kreise mit dem Licht in das Gewebe einstrahlenden Lichtleiter als Mittelpunkt vorgesehen. Dadurch können ganze Topographien von Rückstreuwerten erhalten werden.

Durch die Ausgestaltung nach Anspruch 4 kann z. B. eine Mittelung der Werte zu einem bestimmten Abstand von dem das Licht in das Gewebe einstrahlenden Lichtleiter erhalten werden.

Mittel zum Eichen nach Anspruch 5 sind insbesondere ein Weißstandard und eine Normallichtquelle, die unten noch erläutert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Ermittlung der Veränderung der Größe von Gewebeteilchen;

Fig. 2 schematisch die Einstrahlung mittels Lichtleiter und die Detektion mittels eines weiteren Lichtleiters und die dadurch erreichten Volumina im Gewebe;

Fig. 3 eine Tabelle, anhand derer die Veränderung der Rückstreuung in Abhängigkeit von der Partikelgröße erkennbar ist;

Fig. 4 die Veränderung der Form der Rückstreucharakteristik bei der Veränderung der Partikelgröße nach Fig. 3;

Fig. 5 eine Anordnung aus mehreren beleuchtenden Lichtleitern und mehreren aufnehmenden Lichtleitern, zur Erstellung einer Topographie von Farbstoffverteilungen;

Fig. 6 schematisch das Erlanger Mikrolichtleiter-Spektrophotometer EMPHO, das zu den Messungen verwendet wird;

Fig. 7 eine Anordnung zur Eichung des Gerätes aus Fig. 6;

Fig. 8 Kurven, die Eichkurven und eine gemessene Kurve zeigen.

Die Erfindung ermöglicht mit einer in Fig. 1 gezeigten Lichtleiteranordnung und deren Verwendung in einem besonderen Verfahren die Bestimmung der Veränderung von Partikelgrößen im Gewebe. Diese Bestimmung ist von besonderer praktischer Bedeutung. Man kann damit bspw. eine Größenveränderung der Mitochondrien feststellen. Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung ist in Fig. 1 schematisch gezeigt.

Die Vorrichtung besteht aus einer Anordnung eines mittig angeordneten einstrahlenden (beleuchtenden) Lichtleiters 20 mit ca. 250 µm Durchmesser und linien förmig angeordneten aufnehmenden (detektierenden) Lichtleitern, im Anwendungsbeispiel mit ca. 70 µm Durchmesser. Damit läßt sich, ggfs. nach Herausrechnen der sich durch die gegebene Anordnung ergebenden Winkelverzerrung, die Verteilung des rückgestreuten Lichts in einem Querschnitt des Rückstreu-Volumens ermitteln. Da sich die Verteilung und Intensität des Lichtes in diesem Rückstreu-Volumen jedoch deutlich mit der Partikelgröße ändern, läßt ein Vergleich der aus den verschiedenen aufnehmenden (detektierenden) Lichtleitern 21 bis 30 gewonnenen Remissionswerte im zeitlichen Verlauf einen Rückschluß auf die Änderung der Partikel größe zu.

Bei Annahme von radialsymmetrischen Verhältnissen ist es auch zweckmäßig, statt eines oder zweier Lichtleiter zu je einem bestimmten Abstand (und damit (Kegel-)Winkel) einen Kreis vom Radius des Abstandes aus Lichtleitern vorzusehen. Damit kann die zu einem bestimmten Abstand gehörende empfangene Lichtleistung erhöht werden, was durch Zusammenschalten der jeweils auf einem Kreis liegenden Lichtleiter und deren gemeinsame Auswertung nutzbar gemacht werden kann.

Fig. 2 zeigt schematisch die beleuchtende Lampe 2, den einstrahlenden (illuminierenden) Lichtleiter 4, einen aufnehmenden (detektierenden) Lichtleiter 6 und den Photoverviel facher 8. Das Volumen, in das der einstrahlende (beleuchtende) Lichtleiter 4 Gewebe einstrahlt, ist für eine hohe Hb-Konzentration mit Eh und für eine niedrige mit En angedeutet; das Volumen, aus dem, unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit des Photovervielfachers 8, der aufnehmende (detektierende) Lichtleiter 6 Licht empfangen kann, ist mit R_h bzw. R_n bezeichnet. Das Schnittvolumen, V_h bzw. V_n, ist das der Konzentrationsmessung zugrundeliegende Volumen. Durch hohe Leuchtdichte wird eine quasi diffuse Beleuchtung erreicht.

Fig. 3 zeigt die starke Veränderung der Intensität des rückgestreuten (180°) Lichtes in Abhängigkeit von der Partikelgröße (0,1-2 µm). Die Erfassung dieser Veränderung durch die Überwachung der zeitlichen Veränderung, insbesondere der relativen an den verschiedenen aufnehmenden (empfangenden) Lichtleitern, ermöglicht daher eine sichere Überwachung der Veränderung z. B. der Größe der Mitochondrien und damit z. B. eine rechtzeitige Warnung bei der Entwicklung von Gehirnödemen.

Fig. 4 zeigt graphisch die Änderung der Verteilung des Lichtes, die ebenfalls bei der Auswertung der relativen Remissionen auf die einzelnen bzw. Paare oder Kreise von aufnehmenden (empfangenden) Lichtleitern (hier: 21 bis 30) genutzt werden kann.

Bei einer anderen, besonders bevorzugten Ausführungsform ist ein zentraler einstrahlender (beleuchtender) Lichtleiter 20 und ein Feld von bspw. 10 × 10 aufnehmenden (empfangenden) Lichtleitern vorgesehen (vgl. Fig. 5).

Die Abfrage der Lichtleiter kann gleichzeitig sein, was dann eine entsprechende Anzahl der unten geschilderten Auswerteinheiten nötig macht. Bei der Kürze der Aufnahme eines vollständigen Spektrums in beiden Wellenlängenbereichen (ca. ¹/₁₀₀ s), können die Lichtleiter aber auch aufeinanderfolgend abgefragt werden, was einen Zeitunter schied von ca. einer Sekunde ergibt, der häufig in Kauf genommen werden kann.

Der zeitliche Verlauf im Zusammenhang mit dem winkelabhängigen, korrigierten räumlichen Remissionsdiagramm, das durch die Anordnung erhalten wird, erlaubt wieder einen Rückschluß auf die Änderung der Teilchengröße.

Die Auswertung der Winkelabhängigkeit, sowohl was den Abstand vom einstrahlenden (beleuchtenden) Lichtleiter als auch den Umfang von Kreisen um den einstrahlenden Lichtleiter betrifft, kann zur Feststellung von räumlichen Asymmetrien genutzt werden.

In einer weiteren Ausführungsform, die konkret in Fig. 12 dargestellt ist, befinden sich auch noch an den Seitenrändern, in deren Mitte, einstrahlende (beleuchtende) Lichtleiter 32-38, wodurch weitere Informationen über das Streuverhalten im Gewebe erhalten werden können. Das Einstrahlvolumen des zentralen Lichtleiters sowie die von den jeweiligen aufnehmenden (detektierenden) Lichtleitern erfaßbaren Volumina werden an Einzelbei spielen in der Zeichnung schematisch dargestellt.

In Fig. 6 ist der Grundaufbau des Erlanger Mikrolichtleiter-Spektral photometers gezeigt. Das Licht einer Xenon-Hochdrucklampe 40 (z. B. XBO 75 W/2, Osram), die von einer Versorgungseinrichtung 42 (stabilisiertes Netzgerät) gespeist wird, wird über ein optisches System 44 in den einstrahlenden Lichtleiter 4 eingestrahlt. Dieser ist mit einem aufnehmenden Lichtleiter 6 so zusammengefaßt, daß die jeweiligen Endflächen in einer Ebene und unmittelbar nebeneinander liegen (in Fig. 6 nicht gezeigt). Die Anordnung aus Fig. 1 oder Fig. 5 wird dann auf die Gewebeoberfläche 46 aufgesetzt. Über den aufnehmenden Lichtleiter 6 gelangt das Licht an einen Photovervielfacher 52. Über ein Verstärkersystem 54 gelangt das Signal zu einem Analog/Digital-Wandler 56 und nach der Digitalisierung zu einem Rechner (auch in 56) zur weiteren Verarbeitung.

Das vorliegende Verfahren arbeitet mit Absolutwerten der Remission. Daher wird der Eichung der gesamten Anordnung besondere Aufmerksamkeit geschenkt.

Fig. 7 zeigt die Einrichtung zur Festlegung eines weißen Spektrums. Die spektrale Verteilung des Lichtes der Xenon-Bogenlampe, die Übertragungseigenschaften der optischen Elemente (Linsen, Lichtleiter) und die spektrale Empfindlichkeit des Photovervielfachers ergeben eine wellenlängenabhängige Antwortfunktion für weißes Licht. Diese kann durch das Spektrum eines Weißstandards, hier BaSO₄, unter Verwendung der in Fig. 7 gezeigten, an sich bekannten Vorrichtung gemessen werden.

Der einstrahlende (4) und der aufnehmende (6) Lichtleiter werden in der auch bei der Messung verwendeten Anordnung in einen Tropfen Immersionsflüssigkeit 70 (0,9% NaCl) auf eine Glasplatte 72 senkrecht aufgesetzt. Die Glasplatte schafft einen festen Abstand zum Weiß normal 74. Der Schnittbereich 76 der Lichtkegel entspricht dem Volumen V. Um den Intensitätsbereich festzulegen, muß eine wellen längenabhängige Dunkelkurve abgespeichert werden.

Die Korrektur der spektrophotometrischen Messungen wird in vier Schritten durchgeführt. Hierzu wird auf Fig. 8 bezug genommen.

1. Das aufgezeichnete, gemessene Spektrum RS wird von der Dunkel kurve DC abgezogen.
2. Das Spektrum des BaSO₄-Weißnormals (BaSt) wird ebenfalls von der Dunkelkurve (DC) abgezogen (DC - BaSt = TF).
3. Die Division (DC - RS)/(DC - BaSt) ergibt das korrigierte Spektrum CS.
4. Zur Darstellung wird das korrigierte Spektrum mit -1 multipliziert.

Zur Gewinnung von Absolutwerten der Konzentration, und da die Messungen der Kurven M I 0 und M II 0 einerseits und die Messung der Standard-Grundremissionskurven und anderer der geschilderten Vergleichskurven andererseits durchaus zu verschiedenen Zeiten durchgeführt werden kann, ist eine Absoluteichung bspw. des Photover vielfachers und anderer ggfs. verwendeter Lichtmeßeinrichtungen besonders wichtig. Hierzu wird eine Normallichtquelle, bevorzugt in Form eines Beta-Lichts, verwendet, bei welcher Zinksulfid oder ein anderer radiolumineszierender Stoff durch radioaktive Zerfalls produkte, insbesondere Beta-Strahlen des Tritiums, angeregt wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Ermitteln der Rückstreuung von Licht in tierischen und menschlichen Geweben,
mit einem Licht in das Gewebe einstrahlenden Lichtleiter (20),
mit mindestens zwei rückgestreutes Licht aufnehmenden Lichtleitern (21, 22, . . ., 30), und
mit einer Auswerteinheit (52, 54, 56) für jeden der aufnehmenden Lichtleiter (21, 22, . . ., 30),
dadurch gekennzeichnet, daß

- die aufnehmenden Lichtleiter (21, 22, . . ., 30) vom einstrahlenden Lichtleiter (20) radial unterschiedlich beabstandet sind, und
- die Auswerteinheit (52, 54, 56) zum Erfassen der zeitlichen Veränderung der relativen Intensität des rückgestreuten Lichtes aus den verschiedenen aufnehmenden Lichtleitern (21, 22, . . ., 30) ausgebildet ist, um Größenveränderungen von Partikeln im Gewebe zu ermitteln.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die das rückgestreute Licht aufnehmenden Lichtleiter (21, 22, . . ., 30) linienförmig zu beiden Seiten des einstrahlenden Lichtleiters (20) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das rückgestreute Licht aufnehmenden Lichtleiter (21, 22, . . ., 30) auf jeweils einem Kreis angeordnet sind, dessen Radius je einem bestimmten Abstand vom Licht in das Gewebe einstrahlenden Lichtleiter (20) entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils auf einem Kreis liegenden Lichtleiter zusammengeschaltet sind und gemeinsam ausgewertet werden.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen zur absoluten Eichung des einstrahlenden und aufnehmenden Systems aufweist.