DE4410690C1 - Anordnung zur spektrometrischen Untersuchung und deren Verwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen zur spektrometrischen Untersuchung, mit der ein aus Schichten bestehendes Objekt sowohl in seinen oberflächennahen Schichten als auch in tieferliegenden Schichten untersuchbar ist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3.

Die Erfindung betrifft weiterhin Verwendungen der Anordnungen nach den Ansprüchen 11, 12, 14 oder 16.

Die Besonderheit für spektrale Untersuchungen an empfindlichen Objekten, beispielsweise am lebenden Organismus besteht darin, daß unter Beachtung der maximal zulässigen Strahlungsenergie die spektralen Strahlungsflüsse und die Meßzeit begrenzt sind. So liegt beispielsweise die nachweisbare Strahlungsleistung bei Messungen am Augenhintergrund in der Größenordnung von 10^-11 W, bei einer Meßzeit von 1 Sekunde. Das bedeutet, daß hochempfindliche und rauscharme Detektorsysteme eingesetzt werden müssen, um Unterschiede von mindestens 0,1 Einheiten der optischen Dichte im spektralen Reflexionsverhalten zwischen interessierenden Orten oder zwischen Normalpersonen und Patienten bei Untersuchungen am gleichen Ort nachzuweisen.

Nach eigenen Messungen beträgt die optische Dichte der Sklera D = 0,7 und am Augenhintergrund ist die optische Dichte wellenlängenabhängig und liegt um 550 nm in der Größenordnung von D = 1,7 im papillo-makulären Bündel und von D = 2,0 in der Makula. Mit steigender Wellenlänge sinkt die optische Dichte an allen Fundusorten und erreicht um 700 nm etwa den Wert D = 1. Sinkt die Wellenlänge, so erhöht sich die optische Dichte des Augenhintergrundes. Um 450 nm können im Bereich der Makula Grenzwerte für die optische Dichte von D = 3 erreicht werden.

Bei spektralen Messungen am Augenhintergrund sind die geometrisch-optischen Aufnahmebedingungen unbedingt in Rechnung zu stellen.

So kann bei Aperturblendenteilung selbst für den Fall, daß sich ein ideal weißer und diffus reflektierender Hintergrund im Auge befände, nur etwa 1% der in die Hornhautebene einfallenden Strahlung gemessen werden. Eine Verbesserung des Signal-Rausch Verhältnisses durch eine Verlängerung der Meßzeit ist begrenzt, da das Auge ein bewegtes Objekt ist, dem es nur eine kurze Zeit gelingt, eine Marke zu fixieren. Hinzu kommt, daß nach wenigen Sekunden der Tränenfilm reißt, so daß eine zusätzliche Streuung an der Hornhaut wirksam wird, die die Messung verfälscht. Die Augenbewegungen führen dazu, daß die Beleuchtungsbedingungen, insbesondere am Augenhintergrund, ständigen Änderungen unterliegen und damit pathologische Veränderungen im spektralen Verlauf stark von Bewegungsartefakten überlagert sind.

In einer bekannten Anordnung nach DD 2 03 228 B1 wird der Augenhintergrund mit monochromatischem Licht unterschiedlicher Wellenlängen nacheinander beleuchtet und das reflektierte Licht in einer hochempfindlichen Zweistrahlanordnung detektiert. In dieser Anordnung werden die schwachen Signale im Meß- und Vergleichsstrahlengang durch das verwendete Chopperprinzip zusätzlich so stark geschwächt, daß die Messung des Fundusreflektionslichts und des Vergleichslichtes durch den Empfänger kaum möglich ist. Eine Verbesserung besteht darin, daß Meß- und Vergleichsstrahl kontinuierlich zwei getrennte Empfänger beleuchten. Da selbst bei gleichem Empfängertyp unzulässige Abweichungen in der spektralen Empfindlichkeit von Meß- und Vergleichsdetektor auftreten, werden diese gemeinsam mit Differenzen in der spektralen Transmission zwischen Meß- und Vergleichsstrahlengang so aufeinander abgeglichen, daß bei Messungen an einem Modellauge mit einem Weißstandard als Augenhintergrund für jede Wellenlänge ein konstanter Wert geliefert wird, der nach Anpassung der geometrisch-optischen Bedingungen für alle Wellenlängen die Reflexion zu 100% ergibt.

Durch die Zweistrahlanordnung wird der Einfluß von Schwankungen der Strahlungsleistung der Strahlungsquelle auf das Meßergebnis minimiert. Intensitätsschwankungen des reflektierten Lichtes infolge von veränderten Einstrahlungsbedingungen als Ergebnis von Augenbewegungen beeinflussen ohne Korrekturmöglichkeit das Meßergebnis.

Damit ist es nicht möglich, während der ganzen Meßzeit mit dem Leuchtfleck beliebige Fundusorte (mit Ausnahme der Fovea) zu beleuchten, so daß das Reflexionsspektrum kleiner Strukturen (z. B. von Gefäßen) praktisch nicht meßbar ist.

Eine Ausnahme bildet die Messung des Reflexionsspektrums der Fovea. In diesem Fall sind Fixationsort und Meßort identisch, wodurch die längste Meßzeit an einen konstanten Ort erreicht werden kann.

Die Lösung im Patent EP 0 136 440 enthält gegenüber der obengenannten Veröffentlichung keine weiteren Vorteile. Die Anordnung eines Meßempfängers in einem Okularstrahlengang eines Stereoeinblickes führt zu einer Verringerung des Meßlichtes infolge der Strahlteilung. Die Anordnung berücksichtigt nicht die unterschiedliche spektrale Transmission von Meßstrahlengang und Vergleichsstrahlengang und ist deshalb nur bedingt geeignet, Änderungen der Lampenintensität zu kompensieren. Die bekannten Fehlereinflüsse, die das bewegte Auge bei der Beleuchtung und bei der Meßortlokalisation bewirkt, werden nicht ausgeschaltet.

In der DD 2 62 797 A1 wird eine Anordnung beschrieben, mit der der Augenhintergrund mit weißem Blitzlicht beleuchtet und das vom gesamten Auge reflektierte Licht grob in wenige Spektralbereiche aufgespalten und unterschiedlichen Detektorsystemen zugeführt wird.

Eine vergleichsweise spektral hoch aufgelöste Messung vollständiger Reflexionsspektren ist technisch und physikalisch mit dieser Anordnung nicht möglich.

Zur Messung der örtlichen Verteilung spektral wirksamer Pigmente sind Scannersysteme bekannt (Delori F. C. (1989) Nonivasive technique for oximetry of blood in retinal vessels; Applied Optics Vol. 27 March 15, 1113-1125), (Elsner, A. E., Burns, St. A., Hughes, G. W, Webb, R. H. (1992) Reflectometry with a scanning laser ophthalmoscope; Applied Optics 31 (19) 3697-3710), (van Norren, D., van de kraats, I.: Imaging Retinal Densitometry with a Confocal Scanning Laser Ophthalmoskopy and Tomography, Quintessenz München 1990), die den zu untersuchenden Bereich des Auges mit einem monochromatischen Meßfleck abtasten. Zur Messung der optischen Dichte von Pigmenten sind Messungen bei mehreren Wellenlängen notwendig. Zwischen den Messungen bei verschiedenen Wellenlängen können die Justierbedingungen zwischen Meßgerät und Patient nicht als konstant angenommen werden, so daß sich die Beleuchtungsbedingungen bei verschiedenen Messungen verändert haben und somit ein Meßfehler entsteht, der unterschiedliche spektrale Reflexion für die zu verschiedenen Zeiten ausgeführten Messungen vortäuscht.

Eine neue Qualität der Fundusreflektometrie wurde durch die von Delori und Pflibsen (Applied Optics 1989 Vol. 28 No. 6 1061-1077) beschriebene Anordnung erreicht. Bei dieser Anordnung wird der Fundus mit weißem Licht bestrahlt. Die reflektierte Strahlung wird in einem Polychromator parallel für alle Wellenlängen spektral zerlegt und von einem Vidicon in Verbindung mit einem optischen Mehrkanalanalysator detektiert. Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß für alle Wellenlängen während einer Messung gleiche Beleuchtungsbedingungen vorliegen.

Bei Mehrfachmessungen ist eine Normierung beispielsweise auf die Reflexion bei einer Bezugswellenlänge möglich, so daß eine Mittelung sinnvoll ausgeführt werden kann. Nachteilig bleibt bei allen spektralen Einzelpunktmessungen, daß der Einfluß der spektralen Transmission der Okularmedien als unbekannte Größe erhalten bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Meßgerät zu schaffen, das insbesondere als messendes Ophthalmoskop verwendbar ist. Es soll aber universeller als dieses einsetzbar sein. Der Einfluß der spektralen Eigenschaften einer dem Meßobjekt vorgelagerten lichtdurchlässigen Schicht (z. B. die Okularmedien) auf die Messung der spektralen Reflexion einer tieferliegenden Schicht (z. B. des Augenhintergrundes) und der Einfluß ungleicher Beleuchtungsbedingungen, verursacht sowohl durch zeitliche Änderungen der Justierung zwischen Meßobjekt (z. B. Patientenauge) und Meßgerät als auch durch zeitliche Schwankungen der Strahlungsintensität der Strahlungsquelle sollen bei spektralen Messungen an benachbarten Orten vernachlässigbar sein.

Mit der Anordnung soll darüber hinaus auch die Messung in oberflächennahen Schichten (z. B. vordere Augenmedien) des Meßobjektes möglich sein. Die Aufgabe der Erfindung wird durch Anordnungen gemäß dem Oberbegriff mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 3 gelöst. Die Unteransprüche 2 und 4 bis 10 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Hauptansprüche.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Verwendung der Anordnungen mit den Merkmalen des Anspruchs 11 oder 12 oder 14 oder 16 gelöst.

Die Unteransprüche 13,15 und 17 beinhalten spezielle Verwendungen der in den entsprechenden Hauptansprüchen angegebenen Verwendungen.

Das Wesen der Erfindung besteht bei der Anordnung in einem ersten Fall darin, daß für spektrale Untersuchungen an einem aus Schichten bestehenden Objekt (z. B. Auge) das Objekt mit einer Umfeldbeleuchtung und einer Blitzlampe beleuchtet wird und

• - in einem Meßstrahlengang nacheinander ein astigmatisches System, ein Eintrittsspalt, ein Polychromator und ein Detektorsystem angeordnet sind und das Detektorsystem mit einem Rechner zur Auswertung und Anzeige verbunden ist und
• - in einem Beobachtungsstrahlengang eine Okularmarke angeordnet ist, deren Bild in einer Schicht des zu untersuchenden Objektes (Augenhintergrund) deckungsgleich mit dem Bild des Eintrittsspaltes des Polychromators ist.

Das Wesen der Erfindung besteht bei der Anordnung in einem zweiten Fall darin, daß für spektrale Untersuchungen an einem aus Schichten bestehenden Objekt (z. B. Auge) das Objekt mit einer Umfeldbeleuchtung und einer Blitzlampe beleuchtet wird und mittels eines Beobachtungsstrahlenganges kontrolliert werden kann und

• - in einem Meßstrahlengang nacheinander ein astigmatisches System, ein Eintrittsspalt, ein Polychromator und ein Detektorsystem angeordnet sind und das Detektorsystem mit einem Rechner zur Auswertung und Anzeige verbunden ist und
• - im Beleuchtungsstrahlengang meßobjektseitig ein Polarisator mit einem Spalt und weiterhin nach der Blitzlampe ein Polarisator angeordnet sind, wobei die Schwingungsrichtungen der Polarisatoren orthogonal aufeinanderstehen, weiterhin das Bild des Spaltes in der zu untersuchenden Schicht (am Augenhintergrund 3) deckungsgleich mit dem Bild des Eintrittsspaltes ist.

Die Erfindung und die Auswertemöglichkeiten werden nachfolgend anhand von Anordnungen für spektrale Messungen am Augenhintergrund beschrieben, auf die die vorgelagerte Schicht der Okularmedien keinen Einfluß hat.

Die Erfindung ermöglicht, daß für ganze örtlich ausgedehnte Bereiche des Auges das spektrale Verhalten gleichzeitig, aber örtlich getrennt, gemessen werden kann. Es wird der Einfluß von Augenbewegungen verringert, da durch diese die reflektierte Strahlungsleistung bei allen Wellenlängen gleichzeitig und gleichmäßig verändert wird.

Durch die Beleuchtung mit Lichtblitzen, beispielsweise einer Xenon-Lampen- Blitzbeleuchtung, kann das Spektrum schnell an ausgewählten Orten gemessen werden, ohne daß die Bewegung des Patientenauges wesentlichen Einfluß auf das Meßergebnis hat. Infolge der kurzen Blitzdauer kann die Bestrahlungsstärke weiterhin größer als bei kontinuierlicher Beleuchtung gewählt werden, ohne daß zulässige Grenzwerte überschritten werden.

Da die spektrale Reflexion interessierender Orte und deren Umgebung gleichzeitig gemessen werden, besteht ferner die Möglichkeit, durch nachträgliche Verarbeitung die Wellenlängenbereiche zu ermitteln, bei deren Verwendung zur Beleuchtung ein maximaler Kontrast zwischen Untersuchungsobjekt und Umgebung besteht.

Durch eine astigmatische Abbildung in x-Richtung und y- Richtung wird erreicht, daß der Eintrittsspalt des Polychromators unter Einhalten der Apertur des Polychromators am Augenhintergrund einem Meßfeld entspricht, dessen Ausdehnung in x-Richtung der geforderten Ausdehnung größerer Strukturen z. B. Fovea bis Papille zugeordnet ist. Die Ausdehnung des Meßfeldes in y-Richtung wird so gewählt, daß bei der durch die Spaltbreite des Eingangsspaltes des Polychromators festgelegte spektrale Auflösung fotometrisch ausreichend auflösbare Signale gewonnen werden können.

Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnungen besteht darin, daß gleichzeitig die Spektren von verschiedenen Orten innerhalb eines definierten Meßfeldes mit hoher örtlicher Auflösung gemessen werden.

Durch das in den Anordnungen realisierte Meßprinzip wirken sich Änderungen der Strahlungsleistung der Strahlungsquelle und die Filterwirkung der vorgelagerten Schicht (der Okularmedien) gleichzeitig auf alle Meßorte als Faktor aus.

Substanzspezifische Änderungen der optischen Dichte zwischen benachbarten Orten werden durch die Bildung logarithmischer Differenzspektren berechnet, was einer Normierung der Spektren der interessierenden Orte auf das Spektrum eines gleichzeitig gemessenen Bezugsortes entspricht.

Alle sich multiplikativ auf das Meßergebnis auswirkenden Einflüsse (wie Okulartransmission, Hintergrundreflexion, einfallende Strahlungsleistung) kürzen sich damit bei dieser Berechnung heraus. Das gilt ebenfalls für die Justierung des Meßgerätes zum Meßobjekt (z. B. Patientenauge) zur Untersuchung. Einstellfehler, die eine Beschränkung der Aperturblende der Beleuchtung nach sich ziehen, bewirken eine weitgehend gleichmäßige Änderung der Bestrahlungsstärke an allen parallel untersuchten Orten, so daß die Unterscheidbarkeit lokaler Substanzverteilungen weitgehend erhalten bleibt.

Mit den erfindungsgemäßen Anordnungen können spektrometrische Untersuchungen am Auge so ausgeführt werden, daß eine Berechnung der Extinktion von Pigmenten und von daraus abgeleiteten Größen sowie der Streueigenschaften mit hoher Genauigkeit möglich ist, was eine Voraussetzung für die Charakterisierung des Normalbereichs und des pathologischen Zustandes bei der objektiven Frühdiagnostik und Therapiekontrolle ist.

Die spektrale Reflexion von Veränderungen am Augenhintergrund kann auch bei kleinen lokalen Ausdehnungen gemessen werden.

Aus dem logarithmischen Differenzspektren zwischen der Reflexion der lokalen Veränderung und deren Umgebung kann auf die Art der Substanz in der Veränderung geschlossen werden, wodurch zum Beispiel ein besserer Bezug der pathologischen Veränderung auf einen veränderten Stoffwechsel möglich ist.

Dadurch kann eine ursachenbezogene Therapie wirkungsvoller eingesetzt werden. Durch die meßtechnische Erfassung der pathologischen Veränderungen ist es möglich, den Effekt einer Therapie besser zu beurteilen und eine individuell adaptierte Therapie vorzunehmen.

Im allgemeinen Fall werden auf diese Weise gleichzeitig gemessenen Spektren zum Ausgleich der spektralen Charakteristik von Strahlungsquelle und Meßanordnung auf die raumwinkelkorrigierte Intensität bezogen, die von einem Modellauge mit aselektiv reflektierendem Hintergrund gemessen wird. Zur Darstellung von Unterschieden in der optischen Dichte zwischen verschiedenen Orten am Augenhintergrund wird je nach Aufgabenstellung die reflektierte Intensität eines ausgewählten Vergleichsortes zur Normierung herangezogen.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der Anordnungen zur Messung von oberflächennahen Schichten. Dazu ist an dem Ausgang des Meß-, Beobachtungs- und Beleuchtungsstrahlenganges eine Zusatzlinse positionierbar. Diese Optik wird auf die vorhandene Optik der jeweiligen Anordnung aufgesetzt.

Mit der Zusatzlinse können die oberflächennahen Schichten (z. B. die vorderen Augenabschnitte) untersucht werden und ohne die Zusatzlinse können tieferliegende Schichten des Körpers (z. B. der Augenhintergrund) untersucht werden.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnungen ist daher nicht auf die Untersuchung des Augenhintergrundes beschränkt, sondern ist mit der Zusatzlinse für Untersuchungen am vorderen Augenabschnitt, als auch mit oder ohne die Zusatzlinse für Untersuchungen an äußeren Organen und Körperhöhlen des Menschen anwendbar.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der Anordnungen zur Messung von Substanzkonzentrationen. Unterschiede in der spezifischen Absorption lokal verteilter Substanzen werden durch eine Normierung der spektralen Reflexion von der zu untersuchenden Substanz auf die Reflexion der Umgebung der Substanz dargestellt. Hierbei kann auf ein Normieren auf das Reflexionsspektrum eines Weißstandards verzichtet werden.

Die spektrale Reflexion des Augenhintergrundes, vor dem sich die zu untersuchende Substanz befindet, hat keinen Einfluß, sofern diese unter und auch neben der zu untersuchenden Substanz gleich ist. Der Einfluß von Änderungen der Blitzenergie auf das Meßergebnis wird durch Normieren auf die parallel zur Reflexion in der zu untersuchenden Schicht (Augenhintergrund) gemessene Blitzenergie und/oder durch Angleichen der integralen Gesamtreflexion des gleichen Ortes bei verschiedenen Messungen reduziert.

Die Erfindung ermöglicht beispielsweise Sauerstoffsättigungsmessungen im Blut. Sie sind nach Mittlung über mehrere Messungen eichungsfrei unter Verwendung der spektralen Reflexion bei mindestens drei Wellenlängen möglich. Die Messung der Sauerstoffsättigung in den Gefäßen des Menschen ist eichungsfrei und nichtinvasiv möglich.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der Anordnungen zur Messung von Längenausdehnungen. Durch die Zuordnung der Pixelelemente der Detektormatrix zu geometrischen Orten am Augenhintergrund wird ein Maß für die geometrische Ausdehnung der Untersuchungsobjekte geliefert. Mit der Anordnung kann zum Beispiel der Durchmesser eines Blutgefäßes gemessen werden.

Die Erfindung wird anhand der Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Schema der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 Schema zur Erzeugung einer hellen Meßbeleuchtung bei gleichzeitiger Beobachtungsmöglichkeit des Umfeldes, aber dunklem Umfeld während des Messens durch Einschwenken einer Feldblende,

Fig. 3 Schema zur Erzeugung einer hellen Meßbeleuchtung bei gleichzeitiger Beobachtungsmöglichkeit des Umfeldes, aber dunklem Umfeld während des Messens durch Verwendung einer Polarisatoranordnung,

Fig. 4 Schema zur Darstellung der gleichzeitig gewonnenen Spektren,

Fig. 5 Schnitt durch den Makulabereich bei der Wellenlänge des Absorptionsmaximums des Xanthophylls,

Fig. 6 Intensitätsprofil über einem Gefäß bei zwei verschiedenen Wellenlängen zur Messung der Sauerstoffsättigung,

Fig. 7 Lage des Meßfeldes am Augenhintergrund in zwei Stellungen des Spaltes,

Fig. 8 Anordnung zur lateral aufgelösten Fluoreszenzmessung,

Fig. 9 Anordnung nach Fig. 1 zur Streulichtmessung,

Fig. 10 Wirkung einer Zusatzlinse für Untersuchungen am vorderen Augenabschnitt.

Nach Fig. 1 beleuchtet eine Umfeldbeleuchtung 1 über die Umlenkspiegel 10 und 11 den Augenhintergrund 3 des Patientenauges 4 mit kontinuierlichem Licht. Im Beobachtungsstrahlengang 5 ist in einer zum Augenhintergrund 3 konjugierten Ebene eine Okularmarke 7 angebracht, die ein definiertes Meßfeld 27 am Augenhintergrund 3 des Patientenauges 4 markiert.

Dieses Meßfeld ist deckungsgleich mit dem Bild des Eintrittsspaltes 14 eines Polychromators 15, das durch Abbildung über das astigmatische System 13 auf dem Augenhintergrund 3 abgebildet wird. Dieses Bild ist in x-Richtung, die der Spalthöhe entspricht, so ausgedehnt, daß es beispielsweise von der Makula bis zur Papille reicht (siehe auch Fig. 7). Das vom Augenhintergrund 3 reflektierte Licht, das über den einschwenkbaren Umlenkspiegel 12 und das astigmatische System 13 durch den Eintrittsspalt 14 in den Polychromator 15 gelangt, wird dort zerlegt. Am Ausgang des Polychromators 15 befindet sich ein Restlicht-Detektorsystem 16, das eine Matrix- Empfängeranordnung enthält.

Wird angenommen, daß in x-Richtung die Zeilen und in y-Richtung die Spalten verlaufen, so detektiert jedes Empfängerelement in Spaltenrichtung einen monochromatischen Teil des spektral zerlegten Lichtes für jeden Pixelort, der durch die Anzahl der Empfängerelemente in x-Richtung auflösbar ist. Ein Rechner 17 verarbeitet die empfangenen Signale und stellt diese an einem Display 18 dar.

Zur gleichzeitigen Aufnahme der Spektren für alle Orte in x-Richtung wird der Augenhintergrund 3 mit Lichtblitzen aus einer Blitzlampe 9 über den Umlenkspiegel 11 beleuchtet. Für den Zeitraum des Lichtblitzes ist der Umlenkspiegel 10 aus dem Strahlengang geschwenkt.

Die Breite des Eintrittsspaltes 14 bestimmt in Verbindung mit den dispergierenden Eigenschaften des Polychromators 15 und der Größe der Matrixelemente in Y-Richtung die spektrale Auflösung. Die Größe der Matrixelemente in X-Richtung bestimmt unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes zwischen der Netzhaut des Patientenauges 4 und dem Netzhautbild in der Ebene des Eintrittsspaltes 14 des Polychromators 15 die örtliche Auflösung am Augenhintergrund 3, wobei zur Abbildung des Eintrittsspaltes des Polychromators am Augenhintergrund 3 ein astigmatisches System 13 im Meßstrahlengang 5 angeordnet ist.

Durch eine astigmatische Abbildung in x- und y-Richtung wird erreicht, daß dem Eintrittsspalt des Polychromators unter Einhalten der Apertur des Polychromators am Augenhintergrund ein Meßfeld entspricht, dessen Ausdehnung in x-Richtung der geforderten Ausdehnung größerer Strukturen z. B. von Fovea bis Papille zugeordnet ist. Die Ausdehnung des Meßfeldes in y-Richtung wird so gewählt, daß bei der durch die Spaltbreite des Eingangsspaltes des Polychromators festgelegten spektralen Auflösung photometrisch ausreichend auflösbare Signale gewonnen werden können. Das Meßfeld 27 der Okularmarke 7 hat am Augenhintergrund 3 des Patientenauges 4 die gleiche Größe wie das Bild des Eintrittsspaltes 14 des Polychromators 15. Durch die Umfeldbeleuchtung 1 und die Beobachtung des Augenhintergrundes 3 durch die Okularmarke 7 durch das Untersucherauge 6 wird der Untersuchungsort am Augenhintergrund 3 des Patientenauges 4 eingestellt.

In einer Ausführung nach Fig. 2 ist zusätzlich eine Feldblende 8 im Beleuchtungsstrahlengang 2 einschwenkbar.

Um beim Messen der Reflexions- oder Fluoreszenzspektren den Einfluß von intraokulärer Streuung klein zu halten und die Lichtbelastung des Patientenauges zu minimieren, wird während des Messens eine Feldblende 8 in den Beleuchtungsstrahlengang eingeschwenkt. Das beleuchtete Feld ist in x- und in y- Richtung etwas größer als das Bild des Eintrittsspaltes 14 des Polychromators 15, damit dieses unter allen Umständen gleichmäßig ausgeleuchtet ist. Zur Justierung des Untersuchungsortes am Augenhintergrund 3 des Patientenauges 4 wird der interessierende Bereich am Augenhintergrund 3 mit dem Meßfeld 27 zur Deckung gebracht.

Zur Messung der spektralen Reflexion nach Fig. 2 wird eine (schlitzförmige) Feldblende 8 in den Beleuchtungsstrahlengang 2 eingeschwenkt, so daß vom nachfolgenden Blitz der Blitzlampe 9 nur der ausgewählte Bereich am Augenhintergrund 3 vom Blendenbild 21 beleuchtet wird (siehe Fig. 7).

Gleichzeitig mit dem Einschwenken der Feldblende 8 kippt der Umlenkspiegel 12 in den Beobachtungsstrahlengang 5, so daß das gesamte vom Augenhintergrund 3 reflektierte Licht vom Detektorsystem 16 registrierbar ist.

In Fig. 3 sind gegenüber Fig. 1 im Beleuchtungsstrahlengang 2 zwischen den Umlenkspiegeln 10 und 11 ein Polarisator 20 und zwischen dem Umlenkspiegel 10 und der Blitzlampe 9 ein Polarisator 19 angeordnet. Die Polarisatoren 19 und 20 bestehen aus einer Polarisationsfolie, wobei der Polarisator 20 einen ausgesparten Spalt 35 hat. Die Durchlaßrichtung des Polarisators 19 ist zur Durchlaßrichtung des Polarisators 20 gekreuzt so angeordnet, daß nahezu kein Blitzlicht außerhalb des Spaltes 35 zur Beleuchtung des Augenhintergrundes 3 zur Verfügung steht.

Hat der Polarisator 19 zusätzlich einen ausgesparten Spalt 28, werden die Spalte 35 und 28 deckungsgleich aufeinander im Augenhintergrund abgebildet.

Von der kontinuierlichen Beleuchtung 1 wird über den Umlenkspiegel 10, den Polarisator 20 und den Umlenkspiegel 11 der Augenhintergrund 3 des Patientenauges 4 beleuchtet und über den Beobachtungsstrahlengang 5 von Untersucherauge 6 beobachtet und so reflexfrei justiert, daß ein interessierender Bereich des Augenhintergrundes 3 vom Spalt 35 beleuchtet wird. In dieser Anordnung befinden sich keine zu bewegenden Elemente. Das bei kontinuierlicher Umfeldbeleuchtung 1 als heller Schlitz im dunkleren Umfeld am Augenhintergrund 3 erkennbare Bild des Spaltes 35 im Polarisator 20, das nach Abbildung den Eingangsspalt 14 des Polychromators 15 überdeckt, ist auf dem zu untersuchenden Bereich des Augenhintergrundes sichtbar und der Blitz für den Meßvorgang kann sofort ausgelöst werden, wenn der zu untersuchende Bereich des Augenhintergrundes überdeckt wird. Der Spalt 35 im Polarisator 20 dient - wie das Bild 27 der Okularmarke 7 nach Fig. 1 - dem sicheren Positionieren des Eintrittsspaltes 14 am zu untersuchenden Bereich des Augenhintergrundes 3.

Eine Marke 33 des Spaltes 35 im Polarisator 20 dient als Innenfixation und bewirkt, daß dieser Ort immer der Fovea zugeordnet werden kann, wodurch ein Bezugsort für die spektrale Messung am Augenhintergrund geschaffen wird.

In Fig. 4 ist schematisch dargestellt, wie mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung gleichzeitig die Reflexionsspektren verschiedener Orte des Augenhintergrundes 3 gemessen werden, die sich in dem vom Spalt 28 und/oder vom Spalt 35 und dem Eintrittsspalt 14 des Polychromators 15 überdeckten Feld längs der x-Koordinate befinden.

Im kurzwelligen Bereich der Makula ist die stark reduzierte Reflexion infolge der erhöhten Absorption des Xanthophylls und im papillo-makulären Bündel (PMB) eine erhöhte Reflexion um 520 nm infolge eines Exsudates dargestellt. Weiterhin ist der Einfluß der Absorption durch das Blut im Spektralbereich um 550 nm angegeben, der besonders in der Papille die vorherrschende absorbierende Substanz darstellt. Die vom Augenhintergrund gemessene spektrale Intensität ist auf das von einem Weißstandard gemessene spektral zerlegte Licht normiert. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß es mit dieser Anordnung möglich ist, auch unter extremen Beleuchtungsbedingungen, beispielsweise bei Veränderungen in der Peripherie des Augenhintergrundes, gleichzeitig die Spektren der lokalen Veränderung und von deren Umfeld messen zu können.

In Fig. 5 ist die Reflexion in der Umgebung der Makula dargestellt, wie sie bei der Wellenlänge 460 nm im Absorptionsmaximum des Xanthophylls meßbar ist. Aus einer solchen Darstellung können Informationen über die physiologische örtliche Verteilung von Substanzen sowie die im pathologischen Fall erscheinenden lokalen Absorptionsunterschiede und deren Veränderung als Ergebnis einer Therapie gewonnen werden.

Fig. 6 zeigt die spektrale Reflexion für zwei Wellenlängen λ₁ und λ₂, wenn ein Blutgefäß in y-Richtung des Meßfeldes ausgerichtet ist.

Fig. 7 zeigt die Lage des Meßfeldes an zwei verschiedenen Orten Das Meßfeld entspricht dem Bild 21 des Eintrittsspaltes 14. Das Bild des Eintrittsspaltes 14 ist deckungsgleich mit dem Bild 27 der Okularmarke 7 oder deckungsgleich mit dem Bild des Spaltes 28 und/oder mit dem Bild des Spaltes 35.

Das Meßfeld überdeckt in einem ersten Fall die Fovea 23 und grenzt an die Papille 22 an.

Das Meßfeld überdeckt in einem zweiten Fall (deckungsgleiche Bilder 21′ und 27′) zwei Gefäße 24.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung kann aus den gleichzeitig von arteriellen Gefäßen und deren Umgebung sowie von venösen Gefäßen und deren Umgebung gewonnenen spektralen Reflexion nach Mittlung über mehrere Messungen zur Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses eichungsfrei die Sauerstoffsättigung in Gefäßen bestimmt werden.

Hierzu wird prinzipiell nach der Methode von Pittman und Duling (Pittman, R. N., Duling, B R.: Measurement of percent oxyhemoglobin in the Microvasculature; Journal of the Applied Physiology Vol. 38 No. 2 Feb 1975) in der Applikation für Messung der Sauerstoffsättigung nach Delori (Delori, F. C . . Noninvasive technique for oximetrv of blood in retinal vessels; Applied Optics Vol. 27, 1988, 1113-1125) vorgegangen.

Im Unterschied zur Anordnung von Delori, bei der das interessierende Gefäß nacheinander mit ausgewählten Wellenlängen abgescannt wird, liegen als Ergebnis der erfindungsgemäßen Anordnungen die Reflexionsspektren mit ausreichender spektraler Bandbreite für alle Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereiches gleichzeitig vor, so daß eine besonders günstige Kombination der Wellenlängen gewählt werden kann. Durch den Bezug auf einen Weißstandard ist es weiterhin möglich, die mittlere Sauerstoffsättigung im Kapillargebiet zu berechnen, wenn keine zusätzlichen absorbierenden Schichten wirksam sind.

Fig. 8 zeigt eine Anordnung zur lateral aufgelösten Fluoreszenzmessung. Zwischen der Blitzlampe 9 und dem ausschwenkbaren Umlenkspiegel 10 ist ein Anregungsfilter 25 angeordnet. Dieser Filter ist nur für den kurzwelligen Teil des anregenden Blitzlichtes durchlässig. Tritt eine Fluoreszenz am beleuchteten Untersuchungsobjekt auf, so wird das Fluoreszenzlicht auf den Eintrittsspalt 14 des Polychromators 15 abgebildet und spektral zerlegt.

Fig. 9 zeigt eine Anordnung zur Streulichtmessung, bei der eine punktförmige Beleuchtung des Augenhintergrundes 3 durch eine kreisrunde Feldblende 34 erfolgt. Das in den Schichten des Augenhintergrundes 3 gestreute Licht wird in definierter Entfernung vom Beleuchtungspunkt längs der x-Koordinate des Eintrittsspaltes 14 gemessen.

Der Vorteil besteht darin, daß die örtliche Verteilung des Streulichtes gleichzeitig für alle Wellenlängen gemessen wird, wodurch auf die Streucharakteristik und die Größe der streuenden Teilchen geschlossen werden kann.

Fig. 10 stellt den objektseitigen Teil der erfindungsgemäßen Anordnungen im Prinzip dar. Das optische System ist durch eine Zusatzlinse 31 in der objektseitigen Ebene der Aperturblende 29 der Anordnung ergänzt. Die Zusatzlinse 31 befindet sich vor der Abbildungslinse 30 der erfindungsgemäßen Anordnung, die zur Untersuchung von tieferliegenden Schichten vorgesehen ist. Durch die Zusatzlinse 31 wird die abbildende Wirkung der vorgelagerten Schichten (z. B. Hornhaut und Augenlinse) so nachvollzogen, daß der Strahlengang der Anordnung so verändert wird, daß auch spektrale Messungen an der Oberfläche eines Objektes 32 (z. B. am vorderen Augenabschnitt) realisierbar sind.

Mit dieser Anordnung sind die oben genannten spektralen Untersuchungen in Reflexion, Fluoreszenz und Streuung möglich.

Claims (17)

1. Anordnung zur spektrometrischen Untersuchung von Strukturen in Schichten von Körpern, bestehend aus einem Beobachtungs-, Beleuchtungs- und Meßstrahlengang, wobei in dem Beleuchtungsstrahlengang durch eine Umfeldbeleuchtung (1) und eine Blitzbeleuchtung (Blitzlampe 9) durch Umlenkspiegel gleichbleibende Beleuchtungsbedingungen an benachbarten Untersuchungsorten im Körper erzeugbar sind, wobei ein einschwenkbarer Umlenkspiegel (10) zwischen der Umfeldbeleuchtung (1) und der Blitzlampe (9) und ein Lochspiegel (11) in dem Meß- und Beobachtungsstrahlengang (5, 26) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
im Meßstrahlengang (26) nacheinander ein astigmatisches System (13), ein Eintrittsspalt (14), ein Polychromator (15) und ein Detektorsystem (16) angeordnet sind und das Detektorsystem (16) mit einem Rechner (17) zur Auswertung und Anzeige (18) verbunden ist und
im Beobachtungsstrahlengang (5) eine Okularmarke (7) vor dem Untersucherauge (6) angeordnet ist, deren Bild (27) in der zu untersuchenden Schicht (am Augenhintergrund 3) deckungsgleich mit dem Bild (21) des Eintrittsspaltes (14) des Polychromators (15) ist (Fig. 1).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Beleuchtungsstrahlengang (2) in einer zu der zu untersuchenden Schicht (am Augenhintergrund 3) konjugierten Ebene eine Feldblende (8) einschwenkbar ist, deren Bild in der zu untersuchenden Schicht (am Augenhintergrund 3) deckungsgleich mit dem Bild (21) des Eintrittsspaltes (14) ist, wobei die Feldblende (8) zur Bestimmung des Meßortes bei Beobachtung der zu untersuchenden Schicht (Augenhintergrund 3) bei Beleuchtung mit der Umfeldbeleuchtung (1) aus dem Beleuchtungsstrahlengang (2) ausgeschwenkt ist und die Feldblende (8) zur Messung bei Beleuchtung durch die Blitzlampe (9) in den Beleuchtungsstrahlengang (2) eingeschwenkt ist.

3. Anordnung zur spektrometrischen Untersuchung von Strukturen in Schichten von Körpern, bestehend aus einem Beobachtungs-, Beleuchtungs- und Meßstrahlengang, wobei in dem Beleuchtungsstrahlengang durch eine Umfeldbeleuchtung (1) und eine Blitzbeleuchtung (Blitzlampe 9) durch Umlenkspiegel gleichbleibende Beleuchtungsbedingungen an benachbarten Untersuchungsorten im Körper erzeugbar sind, wobei ein einschwenkbarer Umlenkspiegel (10) zwischen der Umfeldbeleuchtung (1) und der Blitzlampe (9) und ein Lochspiegel (11) in dem Meß- und Beobachtungsstrahlengang (5, 26) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Meßstrahlengang (26) nacheinander ein astigmatisches System (13), ein Eintrittsspalt (14), ein Polychromator (15) und ein Detektorsystem (16) angeordnet sind und das Detektorsystem (16) mit einem Rechner (17) zur Auswertung und Anzeige (18) verbunden ist und
im Beleuchtungsstrahlengang (2) meßobjektseitig ein Polarisator (20) mit einem Spalt (35) und weiterhin nach der Blitzlampe (9) ein Polarisator (19) angeordnet sind wobei die Schwingungsrichtungen der Polarisatoren (19, 20) orthogonal aufeinanderstehen, weiterhin
das Bild des Spaltes (35) in der zu untersuchenden Schicht (am Augenhintergrund 3) deckungsgleich mit dem Bild (21) des Eintrittsspaltes (14) des Polychromators (15) ist (Fig. 3).

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Polarisator (19) ein Spalt (28) angeordnet ist, dessen Bild deckungsgleich mit dem Bild des Spaltes (35) des Polarisators (20) in der zu untersuchenden Schicht ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abbildung des Ausschnittes aus der zu untersuchenden Schicht (Augenhintergrund 3) auf den Eintrittsspalt (14) des Polychromators (15) das astigmatische System (13) im Meßstrahlengang (26) angeordnet ist, das die Ausdehnung des Ausschnittes in x-Richtung an die Höhe des Eintrittsspaltes (14) des Polychromators (15) anpaßt und die Ausdehnung des Ausschnittes in y-Richtung so verändert, daß eine für das gesamte Detektorsystem optimale spektrale Auflösung erreichbar ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß - sich am Ausgang des Polychromators (15) das Detektorsystem (16) befindet, welches ein hochempfindliches MCP-Detektorsystem (micro-channel plate detector) ist, in dem ein Matrixempfänger (zum Beispiel eine CCD-Matrix) so angeordnet ist, daß die Matrixelemente einer Spalte in x- Richtung parallel zur x-Achse des Eintrittsspaltes (14) des Polychromators (15) ausgerichtet sind und

• - die Matrixelemente einer Zeile in der y-Achse der CCD-Matrix zum Empfang des spektral aufgelösten Lichtes aus der zu untersuchenden Schicht (Augenhintergrund 3) dienen,
• - wobei die Breite des Eintrittsspaltes (14) in Verbindung mit den dispergierenden Eigenschaften des Polychromators (15) und der Größe der Matrixelemente in y-Richtung die spektrale Auflösung bestimmt, weiterhin
• - die Größe der Matrixelemente in x-Richtung unter Berücksichtigung des Abbildungsmaßstabes zwischen der zu untersuchenden Schicht (Augenhintergrund 3) und dem Bild in der Ebene des Eintrittsspaltes (14) des Polychromators (15) die örtliche Auflösung in der zu untersuchenden Schicht (Augenhintergrund 3) bestimmt und
• - in dem an die CCD-Matrix angeschlossenen Rechner (17) Unterschiede in der örtlichen spektralen Verteilung durch logarithmische Differenzspektren berechenbar und mit einem Display (18) anzeigbar sind.

7. Anordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldblende (34) zur Beleuchtung der zu untersuchenden Schicht (Augenhintergrund 3) die Form eines kreisrunden Loches hat, dessen Durchmesser in der zu untersuchenden Schicht wesentlich kleiner als die Ausdehnung des Eintrittsspaltes (14) des Polychromators (15) in x-Richtung ist, um so das laterale und spektrale Streulicht zu messen (Fig. 9).

8. Anordnung zur Messung von Streulicht nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt an einer Längsseite eine Marke hat (Fig. 7).

9. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung von Fluoreszenzlicht nach der Blitzlampe (9) ein Fluoreszenz- Anregungsfilter (25) angeordnet ist (Fig. 8).

10. Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine sammelnde Zusatzlinse (31) in der Ebene der objektseitigen Aperturblende vor einer Abbildungslinse (30) der Anordnung (Ophthalmoskoplinse, Objektiv) in den Strahlengang einschaltbar ist (Fig. 10).

11. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, die für tieferliegende Schichten im Körper (Netzhaut) konzipiert ist, zur Untersuchung von oberflächennahen Schichten des Körpers (vordere Augenmedien) mit einer sammelnden Zusatzlinse, die in der Ebene der objektseitigen Aperturblende einer Abbildungslinse (30) in den Strahlengang eingeschwenkt wird.

12. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3 in der Ophthalmologie zur Untersuchung des Augenhintergrundes.

13. Verwendung nach Anspruch 11 für Untersuchungen an vorderen Augenmedien, bei der die Zusatzlinse so dimensioniert ist, daß sie annähernd der optischen Wirkung der brechenden Medien des Auges bei einer Untersuchung des Augenhintergrundes entspricht.

14. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3 oder Anspruch 10 zur Messung von Stoffkonzentrationen in einer Struktur eines aus Schichten bestehenden Körpers.

15. Verwendung nach Anspruch 14 zur nichtinvasiven Messung der Sauerstoffsättigung in optisch zugängigen Blutgefäßen.

16. Verwendung der Anordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 3 oder Anspruch 10 zur Messung von geometrischen Abmessungen einer Struktur innerhalb eines aus Schichten bestehenden Körpers.

17. Verwendung nach Anspruch 15 zur nichtinvasiven Messung der Gefäßweite eines optisch zugängigen Blutgefäßes.