DE4120688A1 - Messvorrichtung zur quantitativen erfassung eines fluoreszierenden stoffes im menschlichen hautgewebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur quantitativen Erfassung eines fluoreszierenden Stoffes im menschlichen Hautgewebe, mit einem eine Beleuchtungseinrichtung für die Anregungsstrahlung und eine Empfangseinrichtung für die Fluoreszenzstrahlung umfassenden Meßkopf, einem lichtelektrischen Wandler für das Fluoreszenzlicht und einer von dem lichtelektrischen Wandler angesteuerten elektronischen Verstärker- und Auswerteschaltung.

Eine Meßvorrichtung dieser Art ist in der Zeitschrift "Plastic and Reconstructive Surgery" 1980, S. 545-552 beschrieben. Bei dieser bekannten Meßvorrichtung bestehen sowohl die Beleuchtungseinrichtung als auch die Empfangseinrichtung im Meßkopf aus Lichtleitfasern, die nach dem Zufallsprinzip zu einem gemeinsamen Lichtleitfaserbündel zusammengefaßt sind. Dieses Lichtleitfaserbündel wird mit seiner Querschnittsfläche unmittelbar auf das zu untersuchende Hautareal aufgesetzt.

Bei dieser bekannten Anordnung liegen die von der Anregungsstrahlung beaufschlagten Flächenbereiche und die Flächenbereiche, in denen die Emissionsstrahlung erfaßt wird, nebeneinander. Ein großer Teil der Emissionsstrahlung, und zwar etwa die Hälfte, geht deshalb verloren, weil die Emissionsstrahlung teilweise in die das Anregungslicht führenden Lichtleitfasern fällt. Von der von den zum lichtelektrischen Wandler führenden Lichtleitfasern erfaßten Emissionsstrahlung geht darüber hinaus ein Teil der Lichtenergie in den Lichtleitfasern auf dem Weg vom Meßkopf zum lichtelektrischen Wandler verloren. Der erfaßte und nutzbare Lichtstrom ist daher verhältnismäßig niedrig und muß deshalb zunächst mit Hilfe eines aufwendigen Photomultipliers verstärkt werden, um ein stärkeres Nutzsignal zu erhalten, das sinnvoll ausgewertet werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, daß bei gleichzeitiger Verringerung des technischen Aufwandes ein starkes Nutzsignal erzielt und damit eine technisch einfache Verstärkerschaltung ermöglicht wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die lichtaussendenden Flächen der Beleuchtungseinrichtung und die lichtempfangenden Flächen der Empfangseinrichtung jeweils im senkrechten Abstand von der Hautkontaktfläche des Meßkopfes angeordnet sind und so eine homogene Beleuchtung der gesamten zu erfassenden Hautfläche sowie die Erfassung des Fluoreszenzlichtes auf der gesamten beleuchteten Hautfläche bewirken, und daß der lichtelektrische Wandler in Form einer auf die Wellenlänge des Fluoreszenzlichtes abgestimmten Fotodiode innerhalb des Meßkopfes angeordnet ist.

Durch die Kombination dieser Maßnahmen wird ein im Verhältnis zum Rauschsignal sehr hohes elektrisches Nutzsignal unmittelbar von dem Meßkopf selbst geliefert, das durch eine einfache elektronische Verstärkerschaltung verstärkt werden kann. Dadurch wird einerseits eine erhöhte Meßgenauigkeit erreicht. Andererseits wird dadurch der Aufbau der Meßvorrichtung vereinfacht, weil zum einen das Lichtleitfaserkabel vom Meßkopf zur Verstärkerschaltung nunmehr durch ein praktisch verlustfreies einfaches elektrisches Kabel, und zum anderen ein aufwendiger Fotomultiplier durch eine wesentlich einfachere elektronische Verstärkerschaltung ersetzt sind.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung anhand der Zeichnungen in ihrem grundsätzlichen Aufbau näher beschrieben.

Von den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 die Meßvorrichtung insgesamt in Form eines Blockschaltbildes;

Fig. 2 eine erste Ausführungsform eines Meßkopfes in Form einer Schnittdarstellung

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in Fig. 2, und

Fig. 4 eine andere Ausführungsform eines Meßkopfes, ebenfalls in Form einer Schnittdarstellung.

Wie Fig. 1 in schematischer Darstellung zeigt, umfaßt die Meßvorrichtung eine Lichtquelle 1, einen Anregungsfilter 2, einen Lichtleiter 3, einen Meßkopf 4, einen elektronischen Analogverstärker 5, einen Spannungsmesser 6 und einen Schreiber 7. Die Einrichtung ist weiter ergänzt durch einen Analog-Digital-Wandler 8, einen Rechner 9, eine Tastatur 10, eine Festplatte 11, eine Diskettenstation 12, einen Monitor 13 und einen Drucker 14.

Die Meßvorrichtung ist für die Bestimmung des Farbstoffs Natrium-Fluoreszein als fluoreszierenden Stoff ausgelegt. Natrium-Fluoreszein weist eine maximale Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von 485 nm auf. Das Maximum der Fluoreszenzstrahlung liegt bei etwa 530 nm. Die Beleuchtungseinrichtung und der Strahlungsempfänger sind deshalb jeweils auf diese Wellenlängen abgestimmt.

Einer der wichtigsten Faktoren, der die Fluoreszenzlichtmessung beeinflußt, ist die Wahl einer geeigneten genügend starken Lichtquelle zur Anregung des Fluoreszenzfarbstoffs. Die ideale Lichtquelle muß eine hohe Lichtintensität besitzen und möglichst nur Licht der der maximalen Lichtabsorption des Fluoreszenzfarbstoffs entsprechenden Wellenlänge aussenden.

Lichtquellen, die diesen Anforderungen genügen und die in ihren Abmessungen so beschaffen sind, daß sie sich als solche in einen Meßkopf integrieren lassen, stehen nicht zur Verfügung. So sind z. B. Laserdioden mit diesen Eigenschaften nicht im Handel erhältlich. Leuchtdioden mit einem breiteren Emissionsspektrum, beispielsweise blauleuchtende Siliziumkarbid-Lumineszenz-Dioden mit einer maximalen Lichtemission bei etwa 480 nm, denen ein Anregungsfilter vorgeschaltet werden muß, sind zwar im Handel erhältlich, doch reicht die hiermit erzielte Lichtintensität nicht aus, um den Farbstoff in ausreichendem Maße zur Fluoreszenz anzuregen.

Um die erforderliche hohe Lichtintensität zu erreichen, ist deshalb eine entsprechend starke Lichtquelle außerhalb des Meßkopfes vorgesehen. Die Lichtquelle umfaßt eine beispielsweise 150 Watt starke Halogen-Kaltlichtlampe mit kontinuierlichem Spektrum und einen geeigneten Anregungsfilter 2, der der Lichtquelle vorgeschaltet ist. Der Anregungsfilter 2 muß so gewählt werden, daß er die Anregungsstrahlung von etwa 485 nm schmalbandig herausfiltert. Die so herausgefilterte Anregungsstrahlung wird durch die Lichtleitfaseroptik 3 dem Meßkopf 4 zugeführt.

Der in den Fig. 2 und 3 dargestellte Meßkopf 4 besteht aus einem zylinderformigen Gehäuse 16, 17, 18, in dem die Beleuchtungseinrichtung, der Sperrfilter und die Fotodiode untergebracht sind. Die Beleuchtungseinrichtung wird unmittelbar von den Stirnenden der Lichtleitfasern 21 des Glasfaser-Lichtleitkabels 3 gebildet, das als solches seitlich in das Gehäuse 16 eingeführt und in einem seitlichen Rohransatz 22 des Gehäuses 16 befestigt ist. Die einzelnen Lichtleitfasern 21 sind einzeln oder bündelweise innerhalb des Gehäuses 16 derart verteilt, daß ihre Enden in der Nähe der Außenwand des Gehäuses 16 in gleichmäßigen gegenseitigen Abständen auf einer Kreisbahn in der ebenen Begrenzungsfläche 23 münden. Auf diese Weise wird von den das Anregungslicht aussendenden Stirnflächen der Glasfasern 21 eine kreisringförmige Beleuchtungseinrichtung geschaffen, von der das Anregungslicht von allen Seiten gleichmäßig auf die Haut aufgestrahlt wird.

Die Begrenzungsebene 23, in der die Lichtleitfasern 21 münden, ist innerhalb des Gehäuses 16, 17 in einem Abstand A von der Bodenfläche 24 des Gehäuses angeordnet, der beispielsweise etwa 2 cm betragen kann. Hierdurch wird sichergestellt, daß die zu untersuchende Hautoberfläche, die in der Ebene der kreisringformigen Bodenfläche 24 des Gehäuses 16 liegt, gleichmäßig mit dem Anregungslicht beaufschlagt wird. Die Endbereiche der Lichtleitfasern 21 sind jeweils derart zur Mitte des Gehäuses hin geneigt angeordnet, daß durch die jeweils aus den Stirnflächen der Lichtleitfasern austretenden Lichtkegel insgesamt eine gleichmäßige Beleuchtung erreicht und so das Licht optimal für die Beleuchtung der zu untersuchenden Hautfläche ausgenutzt wird. Die Lichtleitfasern 21 sind durch eine ausgehärtete Kunstharzmasse 25 in ihrer Lage fixiert.

Oberhalb der Begrenzungsebene 23, aus der die Anregungsstrahlung austritt, sind innerhalb der Beleuchtungsreinrichtung der Sperrfilter 19, und oberhalb des Sperrfilters 19 die Fotodiode 20 angeordnet, die auf diese Weise die gesamte Fluoreszenzstrahlung erfassen.

Als Sperrfilter wird ein handelsüblicher optischer Filter mit einem Transmissionsmaximum bei etwa 530 nm verwendet. Bei der Auswahl des Sperrfilters 19 und des Anregungsfilters 2 ist darauf zu achten, daß die Transmissionskurven des Anregungsfilters und des Sperrfilters im Bereich zwischen dem Absorptionsmaximum und dem Emissionsmaximum möglichst steile Flanken und möglichst keinen oder einen nur geringfügigen Überlappungsbereich aufweisen.

Als Fotodiode 20, die den fotoelektrischen Wandler darstellt, wird eine handelsübliche Fotodiode mit hoher absoluter Empfindlichkeit im Bereich des Emissionsmaximums und möglichst geringer Richtungsabhängigkeit gewählt. Wenn beispielsweise eine Fotodiode mit einem Halbwinkel von 55 Grad gewählt wird, das heißt eine Fotodiode, die in einer Richtung von 55 Grad zur Richtung der Höchstempfindlichkeit noch eine Empfindlichkeit von 50% der Höchstempfindlichkeit aufweist, und diese Fotodiode in einem Abstand von 25 bis 35 mm von der unteren Bodenfläche 24 entfernt im Gehäuse angeordnet ist, ist sichergestellt, daß oberhalb der gesamten beleuchteten Hautfläche der weitaus größte Teil des Fluoreszenzlichtes von der Fotodiode 20 erfaßt wird. In Verbindung mit der intensiven Anregungsbeleuchtung wird auf diese Weise von der Fotodiode 20 ein hohes elektrisches Signal erzeugt, das eine einwandfreie Auswertung ermöglicht.

In Fig. 4 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Meßkopfes 4 dargestellt, mit dem sich ebenfalls eine gleichmäßige Ausleuchtung der zu untersuchenden Hautfläche erreichen läßt. Als Lichtquelle dient wiederum eine externe Halogen-Kaltlichtlampe mit einem vorgeschalteten Anregungsfilter, und das Anregungslicht wird wiederum über ein Lichtleitfaserkabel 3 dem Meßkopf zugeführt und ist in dem Rohransatz 30 des Gehäuses 28 befestigt. Das Gehäuse 28 ist oben durch einen Deckel 29 geschlossen und weist unten eine großflächige Öffnung 31 auf. Mit der ringförmigen Bodenfläche 32 wird der Meßkopf auf den zu untersuchenden Hautbereich aufgesetzt.

Innerhalb des Gehäuses 28 ist unter einem Winkel von 45 Grad jeweils zur Achse des Lichtleitkabels 3 und zur senkrechten Mittelachse des Gehäuses 28 ein teilreflektierender Spiegel 33 angeordnet, dessen teilreflektierende Schicht 34 auf der zum Lichtleitkabel 3 und zur Öffnung 31 hin gerichteten Oberfläche angeordnet ist. Die das Anregungslicht aussendende Stirnfläche 35 des Lichtleitkabels 3 bildet zusammen mit dem teilreflektierenden Spiegel 33, 34 die Beleuchtungseinrichtung. Durch den teilreflektierenden Spiegel 33, 34 wird das von der Stirnfläche 35 des Lichtleitkabels 3 in leicht kegeliger Form abgestrahlte Anregungslicht teilweise, das heißt entsprechend dem Reflexionsgrad des teilreflektierenden Spiegels, auf die Hautoberfläche gerichtet und bewirkt eine sehr gleichmäßige Beleuchtung der Haut.

Oberhalb des teilreflektierenden Spiegels 33 sind in dem Meßkopf der Sperrfilter 19 und die Fotodiode 20 angeordnet. Das aus der Haut austretende Fluoreszenzlicht durchdringt mit dem dem Transmissionsgrad des teilreflektierenden Spiegels entsprechenden Anteil den teilreflektierenden Spiegel und wird nach Durchtritt durch den Sperrfilter 19 von der Fotodiode 20 erfaßt. Der Sperrfilter 19 und die Fotodiode 20 weisen die gleichen Eigenschaften auf wie im voraufgehenden Beispiel beschrieben.

Der teilreflektierende Spiegel 33 soll in der Einbaulage einen Reflexionsgrad von 20 bis 40% aufweisen. Das bedeutet, daß von dem aus der Haut austretenden Emissionslicht 80 bis 60% den teilreflektierenden Spiegel passieren und auf die Fotodiode treffen. Daß andererseits bei diesem Reflexionsgrad nur ein reflektierter Anteil von 20 bis 40% des aus dem Lichtleitkabel austretenden Anregungslichts auf die Haut gelenkt wird, wird durch die verhältnismäßig starke Lichtquelle kompensiert. Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der teilreflektierende Spiegel eine Transmission von etwa 70% und eine Reflexion von etwa 30% aufweist.

Das von der Fotodiode 20 gelieferte Gleichstromsignal wird nun, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, in einem nachgeschalteten Verstärker 5 linear verstärkt, so daß es sich für die Weiterverarbeitung in der Auswerteschaltung eignet. Hierfür wird ein handelsüblicher Operationsverstärker eingesetzt. Die Spannung am Ausgang des Operationsverstärkers 5 ist direkt proportional dem auf die Fotodiode 20 auftreffenden Fotostrom.

Vom Verstärker 5 werden parallel ein Spannungsmesser 6, ein Schreiber 7 und der A/D-Wandler 8 eines Rechners 9 angesteuert. Während das Spannungsmeßgerät 6 in erster Linie zur direkten Kontrolle der Verstärkerausgangsspannung dient, wird mit Hilfe des Schreibers 7 der zeitliche Verlauf der Spannung aufgezeichnet.

Der A/D-Wandler 8 dient dazu, das analoge Ausgangssignal des Verstärkers 5 mit dem Rechner 9 weiterzuverarbeiten. Der Rechner 9, der außerdem mit den üblichen zusätzlichen Einheiten, nämlich einer Tastatur 10, einer Festplatte 11, einer Diskettenstation 12, einem Monitor 13 und einem Drucker 14 versehen ist, ermöglicht neben der Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Meßspannung auch die Darstellung der Spannungsänderungsgeschwindigkeit als derjenigen Größe, die angibt, wie schnell der Farbstoff in das Gewebe eindiffundiert bzw. aus dem Gewebe wieder ausgewaschen wird.

Claims (9)

1. Meßvorrichtung zur quantitativen Erfassung eines fluoreszierenden Stoffes im menschlichen Hautgewebe, mit einem eine Beleuchtungseinrichtung für die Anregungsstrahlung und eine Empfangseinrichtung für die Fluoreszenzstrahlung umfassenden Meßkopf, einem lichtelektrischen Wandler für das erfaßte Fluoreszenzlicht und einer von dem lichtelektrischen Wandler angesteuerten elektronischen Verstärker- und Auswerteschaltung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die lichtaussenden Flächen der Beleuchtungseinrichtung und die lichtempfangenden Flächen der Empfangseinrichtung innerhalb des Meßkopfes (4) jeweils im senkrechten Abstand von der Hautkontaktfläche (24; 32) des Meßkopfes (4) angeordnet sind und so eine homogene Beleuchtung der gesamten zu erfassenden Hautfläche sowie die Erfassung des Fluoreszenzlichtes auf der gesamten beleuchteten Hautfläche bewirken, und daß der lichtelektrische Wandler in Form einer auf die Wellenlänge des Fluoreszenzlichtes abgestimmten Fotodiode (20) innerhalb des Meßkopfes (4) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung aus den kreisförmig angeordneten Stirnflächen von Lichtleitfasern (21) besteht, und daß die Fotodiode (20) innerhalb der kreisförmig angeordneten Lichtleitfasern (21) oberhalb der Lichtaustrittsebene (23) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endabschnitte der Lichtleitfasern (21) zur Mittelachse des Meßkopfes (4) hin geneigt angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung von der Lichtaustrittsfläche (26) eines rechtwinklig zur Mittelachse des Meßkopfes (4) angeordneten Lichtleitfaserkabels (3) und einem innerhalb des Meßkopfes (4) angeordneten teilreflektierenden Spiegels (33, 34) gebildet wird, und daß die Fotodiode (20) oberhalb des teilreflektierenden Spiegels (33, 34) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der teilreflektierende Spiegel (33, 34) eine Transmission von 60 bis 80%, vorzugsweise 70%, und eine Reflexion von 40 bis 20%, vorzugsweise 30%, in der Einbaulage aufweist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Fotodiode (20) ein auf das Emissionsmaximum des Fluoreszenzfarbstoffs abgestimmter Sperrfilter (19) angeordnet ist.

7. Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Fotodiode (20) eine Fotodiode mit geringer Richtungsabhängigkeit verwendet wird.

8. Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker (5) ein linearer Operationsverstärker verwendet wird, der eine zu dem von der Fotodiode (20) gelieferten Signal direkt proportionale Ausgangsspannung liefert.

9. Meßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Meßkopfes (4) mit Hilfe eines Kleberings auf der Haut fixierbar ist.