DE4420401A1 - Retro-reflective device - Google Patents

Retro-reflective device

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DE4420401A1 DE19944420401 DE4420401A DE4420401A1 DE 4420401 A1 DE4420401 A1 DE 4420401A1 DE 19944420401 DE19944420401 DE 19944420401 DE 4420401 A DE4420401 A DE 4420401A DE 4420401 A1 DE4420401 A1 DE 4420401A1
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Tim Dr Med Liesenhoff
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Description

Rückstrahlspektroskopischen Vorrichtungen liegt das Phäno­ men zugrunde, daß elektromagnetische Wellen von bestrahlten Materialien teils reflektiert, teils absorbiert werden und dabei die betroffenen Materialien zur Emission neuer elek­ tromagnetischer Wellen anregen können (sog. Fluoreszenz). Erfaßt man die Intensität in Abhängigkeit von der Wellen­ länge der Rückstrahlung einer untersuchten Probe, so erhält man ein charakteristisches Spektrum. Dabei kann auch oder alternativ die zeitliche Entwicklung der Rückstrahlung berücksichtigt werden. Bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Intensität, Wellenlänge und zeitlicher Entwicklung der Rückstrahlung wäre das Spektrum als Fläche darstellbar. Der Einfachheit halber wird im folgenden jedoch pauschal von Kurven die Rede sein. Das Ziel der Rückstrahlspektroskopie besteht darin, anhand solcher Spektren unbekannte Proben zu identifizieren und zu analysieren. Anwendungsgebiete der Rückstrahlspektroskopie liegen vor allem im Bereich der Medizin, wobei vor allem laserinduzierte Fluoreszenzspek­ tren verwendet werden (z. B. im Bereich der Biopsie), aber auch in Bereichen beispielweise des Umweltschutzes (z. B. Luftanalyse) und des Recyclings (z. B. Materialtrennung).The phenomenon lies with retro-reflective spectroscopic devices based on the fact that electromagnetic waves from irradiated Materials are partly reflected, partly absorbed and the affected materials for the emission of new elec can excite tromagnetic waves (so-called fluorescence). If one detects the intensity as a function of the waves length of the retroreflection of an examined sample, so obtained one a characteristic spectrum. It can also or alternatively the temporal development of the retroreflection be taken into account. With simultaneous consideration of intensity, wavelength and temporal development of the Retroreflection the spectrum could be represented as an area. Of the For the sake of simplicity, however, the Curves. The goal of retroreflective spectroscopy consists of obtaining unknown samples based on such spectra identify and analyze. Areas of application of the Retroreflect spectroscopy are mainly in the area of Medicine, especially laser-induced fluorescence spec tren (e.g. in the field of biopsy), but also in areas such as environmental protection (e.g. Air analysis) and recycling (e.g. material separation).

Vorrichtungen zur Rückstrahlspektroskopie umfassen grundsätzlich eine Einrichtung zur Erzeugung und gezielten Weiterleitung elektromagnetischer Wellen auf die zu unter­ suchende Probe und eine Einrichtung zur Aufnahme des Rück­ strahlspektrums. Um die Anschaulichkeit der folgenden Dar­ stellung zu erhöhen, wird, sofern nicht anderes angegeben, im weiteren Text als Quelle elektromagnetischer Strahlung beispielhaft ein Laser verwendet, und als Rückstrahlspek­ trum das durch den Laser induzierte Fluoreszenzspektrum. Die prinzipielle Unabhängigkeit der unten vorgestellten Vorrichtungen und Problemlösungen von diesen beispielhaften Einschränkungen wird jedoch ausdrücklich hervorgehoben.Include reflective spectroscopy devices basically a facility for generating and targeted  Forwarding electromagnetic waves to the under searching sample and a device for receiving the return beam spectrum. To illustrate the following Dar Unless otherwise stated, the position is increased in the further text as a source of electromagnetic radiation used a laser as an example, and as a retroreflect spec the fluorescence spectrum induced by the laser. The principle independence of those presented below Devices and solutions to problems of these exemplary However, restrictions are explicitly highlighted.

Aus der Medizin bekannte Identifikationsverfahren beruhen im wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Vorgehensweisen:Identification methods known from medicine are based essentially on two different approaches:

(1) Aus dem gesamten Fluoreszenzspektrum werden ein oder mehrere Peaks ausgewählt, die bestimmten Elementen, Enzymen oder Atomverbindungen zugeordnet werden können. Die Höhe des Peaks und damit die Intensität der zugrundeliegenden Strahlung hängt mit der Konzentration des jeweiligen Ele­ ments etc. zusammen. Dabei kann eine signifikante Erhöhung des Peaks in entartetem gegenüber nichtentartetem Gewebe festgestellt werden. Damit wird eine Ja/Nein-Entscheidung wie Karzinom/nicht-Karzinom bei ansonstem bekannten Gewebe ermöglicht (vgl. z. B. J. Beuthan et al., Untersuchungen zur NADH-Konzentrationsbestimmung mittels optischer Biopsie, in: Lasermedizin Vol. 10, S. 57-63, Stuttgart 1994). Häufig wird bei ähnlichen Verfahren die Fluoreszenz durch Applika­ tion von Farbstoffen verstärkt. Die - neben weiteren physi­ kalischen und biologischen Störfaktoren - wesentlichen Nach­ teile dieses Verfahrens bestehen darin, daß es nur Ja/Nein- Entscheidungen zuläßt und Laborbedingungen voraussetzt. So muß beispielsweise der Abstand zwischen der Probe und dem Laseremittor bekannt sein, da die Höhe des Peaks auch hier­ von abhängt. Ferner ist die Einfärbung von lebendem Gewebe im Körper aufgrund möglicher Nebenwirkungen wie Allergien nur bedingt praktikabel. (1) From the entire fluorescence spectrum one or selected several peaks, the specific elements, enzymes or atomic compounds can be assigned. The height of the peak and thus the intensity of the underlying Radiation depends on the concentration of the respective ele together etc. This can result in a significant increase of the peak in degenerate versus undegenerate tissue be determined. This is a yes / no decision like carcinoma / non-carcinoma in otherwise known tissue enables (see e.g. J. Beuthan et al., studies on NADH concentration determination using optical biopsy, in: Laser medicine Vol. 10, pp. 57-63, Stuttgart 1994). Frequently in similar processes, fluorescence is caused by appliqué tion of dyes reinforced. The - among other physi calic and biological disturbing factors - essential after parts of this process are that it is only yes / no- Allows decisions and laboratory conditions. So For example, the distance between the sample and the Laser emitter can be known because of the height of the peak here too depends on. Furthermore, the coloring of living tissue in the body due to possible side effects such as allergies only partially practical.  

(2) Aus dem gesamten Fluoreszenzspektrum werden im Verfah­ ren des Paarvergleichs Bereiche selektiert, welche sich nach "ratio"-Bildung signifikant voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht wiederum eine Differenzierung zwischen entartetem und nicht entartetem Gewebe gleichen Typs. Das Auffinden solcher Stellen bedeutet jedoch einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand. Eine Schnellanalyse ist nicht möglich. Im Ergebnis können wiederum nur Unterscheidungen wie ent­ artet/nicht-entartet bei ansonsten bekanntem Gewebe getrof­ fen werden (vgl. z. B. Fluorescence Spectroscopy: Ramanujam et al., A Diagnostic Tool for Cervical Intraepithelial Neoplasia (CIN), in: Gynecologic Oncology 52, 31-38, Aus­ tin/Texas 1994).(2) The entire fluorescence spectrum is used in the process selects areas of the pair comparison which differ significantly from each other after "ratio" formation. This in turn enables a differentiation between degenerate and non-degenerate tissue of the same type. The However, finding such places means a high time and Workload. A quick analysis is not possible. As a result, only distinctions like ent can be made degenerates / does not degenerate in otherwise known tissue (see e.g. Fluorescence Spectroscopy: Ramanujam et al., A Diagnostic Tool for Cervical Intraepithelial Neoplasia (CIN), in: Gynecologic Oncology 52, 31-38, Aus tin / Texas 1994).

Es entspricht demnach dem Stand der Technik, die Rück­ strahlspektroskopie zur "Ja/Nein"-Untersuchung bekannter Gewebe hinsichtlich krankhafter Veränderungen zu verwenden. Die Untersuchung muß grundsätzlich in einem von einer even­ tuell notwendigen Behandlung getrenntem Schritt erfolgen. Dabei ist ein konstanter oder zumindest ein bekannter Ab­ stand zwischen Laseremittor und Probe häufig Voraussetzung für einen Vergleich der Spektren.It therefore corresponds to the state of the art, the re beam spectroscopy for "yes / no" examination of known Use tissue for pathological changes. The investigation must always be in an even treatment required separately. There is a constant or at least a known Ab was often a requirement between the laser emitter and the sample for a comparison of the spectra.

Es ist bisher kaum möglich, festzustellen, aus welchen Gewebearten eine unbekannte Probe besteht. Und es ist nicht möglich, im "on-line"-Verfahren unter veränderlichen, unbe­ kannten Abständen zwischen Ausgangsemittor und Probe bei­ spielsweise festzustellen, welche Gewebeart konkret abge­ tragen wird, bzw. den Laser dahingehend zu steuern, daß automatisch nur die gewünschte Gewebeart abgetragen wird. Allgemeiner ausgedrückt ist es demzufolge nicht möglich, im medizinischen wie allgemein technischen Bereich laufende Vorgänge mittels der Rückstrahlspekroskopie, insbesondere der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie, synchron zu überprüfen und gegebenenfalls steuernd einzugreifen. Des­ weiteren ist es nicht möglich, mehr als zwei Dimensionen wie Wellenlänge und Zeit oder Wellenlänge und Intensität gleichzeitig zu berücksichtigen. Dies führt zu Zeitverlu­ sten, beschränkt die Einsatzmöglichkeiten der Rückstrahl­ spektroskopie und verursacht den aufwendigen Untersuchungs­ abläufen entsprechend hohe Kosten.So far it has hardly been possible to determine from which Tissue types an unknown sample exists. And it is not possible in the "on-line" process under variable, unbe Known distances between exit emitter and sample for example to determine which type of fabric will wear, or to control the laser so that only the desired type of tissue is automatically removed. More generally speaking, it is therefore not possible to use the current medical and general technical field Processes using retroreflective spectroscopy, in particular laser-induced fluorescence spectroscopy, in sync with check and intervene if necessary. Des further it is not possible to have more than two dimensions like wavelength and time or wavelength and intensity  to be considered at the same time. This leads to loss of time most, limits the possible uses of the retro-beam spectroscopy and causes the elaborate investigation correspondingly high costs.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine rückstrahlspektroskopische Vorrichtung zu schaffen, welche prinzipiell in der Lage ist, während eines beliebigen Ein­ satzes einer Quelle für elektromagnetische Wellen, etwa eines Lasers, eine beliebige unbekannte Probe zu identifi­ zieren und zu analysieren.The aim of the present invention is now a to create retroreflective spectroscopic device which is in principle able to during any one set of a source for electromagnetic waves, such as of a laser to identify any unknown sample grace and analyze.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch den Gegenstand des Anspruchs 1 erreicht, also durch eine rückstrahlspektrosko­ pische Vorrichtung, mit einer Einrichtung zur Erzeugung und gezielten Weiterleitung elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe, Mitteln zur Aufnahme und Digitali­ sierung des resultierenden Rückstrahlspektrums und einer Analyseeinrichtung. Die Analyseeinrichtung ist derart aus­ gelegt, daß sie einen Zugriff hat auf eine oder mehrere spezifische Mittelwertkurven, jeweils gebildet aus nor­ mierten Rückstrahlspektren bekannter gleichartiger Proben, eine oder mehrere zugehörige, auf den Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve basierende Wichtungskurven und dazu gehörige, für die je­ weilige Probenart charakteristische Grenzen für gewichtete Fehler. Sie wertet die ihr von dem Aufnahme-/Digitalisie­ rungsmittel zugeführten digitalisierten Spektren wie folgt aus: sie normiert die ihr zugeführten Spektren in gleicher Weise, wie bei den ihr zur Verfügung stehenden spezifischen Mittelwertkurven geschehen, und vergleicht sie mit den vor­ handenen Mittelwertkurven, sie wichtet etwaige Abweichungen von den zur Verfügung stehenden Mittelwertkurven mit der jeweiligen Wichtungskurve und sie stellt fest, ob die ge­ wichtete Abweichung innerhalb oder außerhalb der jeweils dazugehörigen charakteristischen Grenze für gewichtete Fehler liegt und ob somit das digitalisierte Spektrum der zugehörigen Probenart zuzuordnen ist oder nicht. Die gewon­ nene Information gibt sie über eine Ausgabeeinrichtung aus.According to the invention, this goal is the subject of Claim 1 achieved, that is, by a retro-reflective spectroscope pische device, with a device for generating and targeted transmission of electromagnetic waves to a sample to be examined, means for recording and digitali sation of the resulting retroreflective spectrum and a Analysis device. The analyzer is like this placed so that it has access to one or more specific mean curves, each formed from nor mated reflectance spectra of known samples of the same type, one or more associated, on the deviations of the individual normalized spectra from their mean curve based weighting curves and associated ones, for each because of the type of sample characteristic limits for weighted Error. She evaluates her from the recording / digitizing digitized spectra supplied as follows from: it normalizes the spectra supplied to it in the same way Way, as with the specific ones available to her Mean curves happen and compare them with the previous ones existing mean value curves, it weights any deviations of the available mean value curves with the respective weighting curve and it determines whether the ge important deviation inside or outside of each associated characteristic limit for weighted Error and whether the digitized spectrum of the  associated sample type or not. The won It outputs this information via an output device.

Gegenüber dem Stand der Technik bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 1 vor allem den Vorteil der Mög­ lichkeit einer "on line" Gewebe- oder Materialienidentifi­ zierung und -analyse. Dabei kann ein beliebig großer Aus­ schnitt der jeweiligen Meßkurven berücksichtigt werden. Die bisher übliche aufwendige und nur ansatzweise mögliche Zuordnung einzelner Kurvenabschnitte zu zugrundeliegenden Elementen oder Enzymen wird durch eine globale Betrachtung ersetzt. Hierbei können gleichzeitig die Dimension der Zeit, der Intensität und der Wellenlänge in das Analysever­ fahren eingehen. Dadurch läßt sich die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Analyse steigern. Die gesamte Auswertung der Messungen geschieht vollautomatisch und erfordert vom Benützer diesbezüglich keinerlei Sachverstand. Die bisher übliche naturwissenschaftliche Interpretation der gemesse­ nen Spektren wird durch einen, der menschlichen Verstandes­ tätigkeit aufgrund seiner enormen Komplexität grundsätzlich unzugänglichen, vergleichenden technischen Auswertevorgang ersetzt. Die beispielsweise für den Behandler wichtigen Aussagen über das zu behandelnde Gewebe, wie z. B. Art des Gewebes, entartet/nicht-entartet, verändert/nicht verän­ dert, Grad eines Heilungsverlaufs etc. können z. B. durch Fachwörter oder Symbole angezeigt oder akustisch mitgeteilt werden und ermöglichen eine ständige objektive, vom Behandler unabhängige und reproduzierbare Kontrolle über einen laufenden Eingriff.Compared to the prior art, the invention offers Device according to claim 1 especially the advantage of poss Possibility of an "on line" fabric or material identification ornamentation and analysis. It can be of any size section of the respective measurement curves are taken into account. The Previously customary and only partially possible Assignment of individual curve sections to the underlying Elements or enzymes are viewed through a global perspective replaced. Here, the dimension of the Time, intensity and wavelength in the analysis ver drive down. This allows the reliability and Increase the informative value of the analysis. The entire evaluation the measurements are fully automatic and require from Users have no expertise in this regard. The so far usual scientific interpretation of the measured spectra is created by one, the human mind due to its enormous complexity inaccessible, comparative technical evaluation process replaced. The important ones for the dentist, for example Statements about the tissue to be treated, such as B. Type of Tissue, degenerate / non-degenerate, changed / not changed change, degree of a healing course, etc. B. by Specialist words or symbols are displayed or acoustically communicated be and allow a constant objective, from the practitioner independent and reproducible control over you ongoing intervention.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Analyseeinrichtung für einen Lernmodus ausgelegt und verfügt über eine Eingabemöglichkeit für die gewünschten Kennzeichen der zu lernenden Probenarten und einen Speicher für die gelernten Probenarten (Anspruch 2). Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 2 werden im Lernmodus durch Testmessungen an be­ kannten Proben die benötigten Mittelwert- und Wich­ tungskurven, sowie die dazugehörigen, für die jeweilige Probenart charakteristischen Grenzen für den gewichteten Fehler von der Analyseeinrichtung ermittelt, indem die jeweils zu einer Probenart gehörigen Testspektren normiert, gemittelt und anhand der Abweichungen der einzelnen nor­ mierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve gewichtet wer­ den, anhand der auftretenden gewichteten Fehler der Test­ messungen eine für die jeweilige Probenart charakteristi­ sche Grenze für den gewichteten Fehler ermittelt wird und die erzielten Ergebnisse gespeichert werden (Anspruch 3).In an advantageous embodiment of the invention The device is the analysis device for a learning mode designed and has an input option for the desired characteristics of the sample types to be learned and a memory for the learned sample types (claim 2). In an advantageous embodiment of the device according to Claim 2 be in learning mode by test measurements on be  samples knew the required mean and wich tion curves, as well as the corresponding ones, for the respective Specimen-specific limits for the weighted Errors determined by the analyzer by the standardized test spectra for each sample type, averaged and based on the deviations of the individual nor weighted spectra from their mean value curve the test based on the weighted errors that occur measurements a characteristic of the respective sample type cal limit for the weighted error is determined and the results obtained are saved (claim 3).

Eine solche autodidaktische Lernfähigkeit der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht auch und gerade dem technischen Laien eine problemlose Anpassung an bzw. Erwei­ terung des gewünschten möglichen Anwendungsbereichs. Ins­ besondere besteht die Möglichkeit, beispielsweise bei der Entfernung eines Tumors zunächst das konkret gemeinte Gewe­ be im "sicheren" Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Lernmodus beizubringen, um dann eine möglichst exakte Abtragung von Randbereichen durchführen zu können.Such self-taught learning ability of the inventor The device according to the invention also enables this technical laymen a problem-free adaptation to or expansion the desired possible area of application. Ins there is a special possibility, for example at the Removal of a tumor first of all the specifically intended tissue be in the "safe" area of the device according to the invention to teach in learning mode in order to then be as precise as possible To be able to remove marginal areas.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung gibt die Ausgabeeinrichtung für die gewonnene Information selbige auch oder ausschließlich als Steuersignale für ein oder mehrere Geräte zur Behandlung der Probe aus und an die Geräte weiter (Anspruch 4). Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung gemäß Anspruch 4 ist die Einrichtung zur Erzeugung und gezielten Weiterleitung elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe als Laser zur Behandlung oder Abtragung von Gewebe oder anderen Materialien ausgebildet, und die Analyseeinrichtung wandelt die Identifikationen bzw. Analysen der jeweils betroffenen Probe in Steuersi­ gnale für den entsprechenden Weiterbetrieb des Lasers um (Anspruch 5). In a further advantageous embodiment of the Invention according device gives the output device for the Information obtained thereon also or exclusively as Control signals for one or more treatment devices the sample from and on to the devices (claim 4). At an advantageous embodiment of the invention Direction according to claim 4 is the device for generation and targeted transmission of electromagnetic waves a sample to be examined as a laser for treatment or Removal of tissue or other materials and the analyzer converts the identifications or analyzes of the respective sample in Steueri gnale for the corresponding continued operation of the laser (Claim 5).  

Der Gegenstand des Anspruches 4 oder 5 erlaubt beispiels­ weise eine weitgehende Automatisierung operativer Eingrif­ fe. So besteht etwa die Möglichkeit einen Laser geradlinig über einen Gewebekomplex zu steuern und vorher festzulegen, daß dabei nur eine bestimmte Gewebeart abgetragen wird. Zu diesem Zweck kann der Laser so gesteuert werden, daß er selbständig zwischen schwacher, zur Analyse ausreichender Stärke und zum Abtragen von Gewebe benötigter Stärke hin- und herschaltet. Durch eine derart präzise Abtragung von Geweben wird z. B. ein enormer Fortschritt im Bereich der minimal invasiven Chirurgie erreicht. Beispielsweise im Bereich der Angioplastie und anderen wichtigen medizini­ schen Bereichen besteht dringender Bedarf nach solchen Möglichkeiten. In hochsterilen Bereichen könnten Bakterien erkannt und durch den Laser abgetötet werden. Der Flexibi­ lität der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind schließlich auch außerhalb des Bereichs der Medizin keine Grenzen gesetzt. Denkbar wäre beispielsweise eine automatisierte Mülltrennung, die auf diesem Verfahren ba­ siert, oder eine Automatisierung der Fleischbeschauung in Schlachthöfen, etc., wobei z. B. jeweils Geräte zur Aussor­ tierung unerwünschter Proben gesteuert werden könnten.The subject of claim 4 or 5 allows, for example wise extensive automation of operational intervention fe. For example, there is the possibility of a straight laser to control over a tissue complex and to determine beforehand, that only a certain type of tissue is removed. To for this purpose the laser can be controlled so that it independently between weak, sufficient for analysis Starch and strength needed to remove tissue back and forth switched. With such a precise removal of Weaving z. B. an enormous advance in the field of minimally invasive surgery. For example in Field of angioplasty and other important medicin There is an urgent need for such areas Options. Bacteria could be present in highly sterile areas recognized and killed by the laser. The Flexibi are the application of the device according to the invention after all, none outside of the field of medicine Set limits. For example, one would be conceivable automated waste separation based on this method ba siert, or an automation of the meat inspection in Slaughterhouses, etc., z. B. devices for Ausor unwanted samples could be controlled.

Nachstehend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh­ rungsbeispiele und der beigefügten schematischen Zeichnung noch näher erläutert. Dabei wird wiederum - um eine anschau­ liche Darstellung zu gewährleisten - als Quelle elektroma­ gnetischer Strahlung ein Laser verwendet und das laserindu­ zierte Fluoreszenzspektrum ausgewertet. Auf die selbstver­ ständlich vorhandene prinzipielle Möglichkeit, auch andere elektromagnetische Strahlungen, etwa Maser, lichtemittie­ rende Dioden, Hochdrucklampen oder hochgradig parallel strahlende Lampen, im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zu verwenden, sofern dies zweckdienlich sein sollte, wurde bereits verwiesen. In der Zeichnung zeigt:The invention based on preferred embodiment Example and the attached schematic drawing explained in more detail. In turn, it will be a look ensure representation - as a source of electroma electromagnetic radiation uses a laser and the laserindu graced fluorescence spectrum evaluated. On the self permanent possibility of principle, also others electromagnetic radiation, such as burl, light emission emitting diodes, high pressure lamps or highly parallel radiant lamps, within the scope of the device according to the invention use, if this should be useful, has already been referred. The drawing shows:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform mit einem gepulsten Laser; Figure 1 shows a first embodiment with a pulsed laser.

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform mit einem ungepulsten Laser;2 shows a second embodiment with a non-pulsed laser.

Fig. 3 eine der ersten Ausführungsform entsprechende dritte Ausführungsform, in welcher ein Gerät zur Behandlung der Probe gesteuert wird; und Figure 3 shows a first embodiment of the corresponding third embodiment in which a device is controlled for the treatment of the sample. and

Fig. 4 eine der ersten Ausführungsform entsprechende vierte Ausführungsform, die den Laser steuert. Fig. 4 shows a fourth embodiment corresponding to the first embodiment, which controls the laser.

In den Fig. 1-4 wird ein Laserstrahl im Block 1 erzeugt und über einen Ausgang 3 in einen Leiter für elektromagnetische Wellen, hier ein erster Lichtleiter 4 in Form einer Glas­ faser, eingespeist. Dessen Ausgang 5 ist der derart ange­ legt, daß er das Bestrahlen einer Probe 6 mit dem Laser­ strahl ermöglicht. Das Rückstrahllicht, im vorliegenden Beispiel das Fluoreszenzlicht, wird in Fig. 1 über den Lichtleiterausgang 5 und den Lichtleiter 4 in den Laseraus­ gang 3 reflektiert und, bevor es den Block 1 erreicht, durch einen Strahlteiler 2 über einen zweiten Lichtleiter 7 in ein rückstrahlspektroskopisches System 8 geleitet. Dort wird das Fluoreszenzspektrum ermittelt und digitali­ siert. Um Störungen des Fluoreszenzlichts durch Laserrefle­ xionen zu vermeiden, wird der Laserstrahl durch eine "Trig­ ger"-Einrichtung 11 derart gepulst, daß das Wegstück zwi­ schen dem Strahlungsteiler 2 und dem Lichtleiterausgang 5 nie gleichzeitig von Laser- und Fluoreszenzlicht durchwan­ dert wird. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Durchmesser des Lichtleiterausgangs 5 minimiert werden kann. Sofern dies keine Bedeutung hat oder wenn ein unun­ terbrochener Laserstrahl gewünscht wird, ohne daß Störef­ fekte auftreten und berücksichtigt werden müssen, können wie in Fig. 2 eine oder mehrere dritte Lichtleiter 12 vor­ gesehen sein, die das Fluoreszenzlicht direkt an das rück­ strahlspektroskopische System 8 weiterleiten.In FIGS. 1-4, a laser beam in the block 1 is generated and fed via an output 3 to a conductor for electromagnetic waves, in this case, a first light guide 4 in the form of a glass fiber. Whose output 5 is placed such that it enables the irradiation of a sample 6 with the laser beam. The retroreflective light, in the present example the fluorescent light, is reflected in FIG. 1 via the light guide output 5 and the light guide 4 in the laser output 3 and, before it reaches the block 1 , through a beam splitter 2 via a second light guide 7 in a retroreflective spectroscopic system 8 headed. There the fluorescence spectrum is determined and digitized. In order to avoid interference of the fluorescent light by laser reflections, the laser beam is pulsed by a "trigger" device 11 in such a way that the path between the radiation splitter 2 and the light guide output 5 is never penetrated by laser and fluorescent light at the same time. Such an embodiment has the advantage that the diameter of the light guide output 5 can be minimized. If this is of no importance or if an uninterrupted laser beam is desired without interference effects occurring and having to be taken into account, one or more third light guides 12 can be seen as in FIG. 2, which direct the fluorescent light to the back beam spectroscopic system 8 hand off.

In den Fig. 1-4 gibt das rückstrahlspektroskopische System 8 das digitalisierte Spektrum an eine Analyseeinrichtung 9, beispielsweise eine Einrichtung zur Datenverarbeitung, zur Auswertung weiter. Im folgenden werden zunächst die Abläufe dieser Auswertung und die des Lernvorgangs schematisch dargestellt. Im Anschluß wird anhand einer konkreten Ver­ suchsdurchführung eine mögliche konkrete mathematische Aus­ formulierung hinzugefügt.In FIGS. 1-4, the rückstrahlspektroskopische system 8 outputs the digitized spectrum to an analyzing device 9, for example a device for data processing for evaluation on. In the following, the processes of this evaluation and that of the learning process are shown schematically. Afterwards, a possible concrete mathematical formulation is added based on a specific test procedure.

Im ersten Schritt des Auswertevorgangs wird das eingegange­ ne Spektrum normiert. Eine geeignete Form der Normierung ist hierbei die Flächennormierung. Sodann wird das normier­ te Spektrum mit den vorhandenen und in gleicher Weise nor­ mierten Mittelwertkurven verglichen. Zu diesem Zweck wird jeweils die Abstandkurve des Spektrums von der Mittelwert­ kurve berechnet (diese gibt zu jeder Wellenlänge den Ab­ stand, und zwar vorzugsweise den relativen Abstand, alter­ nativ aber auch beispielsweise den absoluten Abstand zwi­ schen gemessenen Spektrum und Mittelwertkurve an), und im Anschluß anhand der zur jeweiligen Mittelwertkurve gehöri­ gen Wichtungskurve der gewichtete Fehler des Meßspektrums gegenüber der Mittelwertkurve ermittelt. Dabei erhält man den gewichteten Fehler, indem man die jeweilige Abstandkur­ ve mit der entsprechenden Wichtungskurve multipliziert. Sodann wird aus der Lage der gewichteten Fehler relativ zu den für die einzelnen Probenarten charakteristischen Fehler­ grenzen festgestellt, welcher Probenart die untersuchte Probe entspricht (oder ob sie keiner der erfaßten Proben­ arten entspricht). Dabei wurde im Versuch schon bei stati­ stisch schlechten (nur auf jeweils zehn Testmessungen ba­ sierenden) Mittelwertkurven eine Wahrscheinlichkeit der fehlerfreien Zuordnung von etwa 90% erreicht. Die so gewon­ nen Daten (Gewebeart, Zustand des Gewebes, etc.) werden mit Hilfe einer Ausgabeeinrichtung 10, wie einem Monitor oder einer akustischen Anlage, dem Behandler mitgeteilt. Dabei können beispielsweise Fachwörter oder Symbole ver­ wendet werden.In the first step of the evaluation process, the received spectrum is standardized. A suitable form of standardization is the area standardization. The normalized spectrum is then compared with the existing and equally normalized mean value curves. For this purpose, the distance curve of the spectrum is calculated from the mean curve (this gives the distance to each wavelength, preferably the relative distance, alternatively but also, for example, the absolute distance between the measured spectrum and mean curve), and im Connection determined on the basis of the weighting curve belonging to the respective mean value curve, the weighted error of the measurement spectrum compared to the mean value curve. The weighted error is obtained by multiplying the respective distance curve by the corresponding weighting curve. Then it is determined from the position of the weighted errors relative to the error limits characteristic of the individual sample types, which type of sample the examined sample corresponds to (or whether it does not correspond to any of the recorded sample types). In the experiment, a probability of error-free assignment of around 90% was achieved even with statistically poor mean value curves (based on ten test measurements only). The data thus obtained (type of tissue, condition of the tissue, etc.) are communicated to the practitioner with the aid of an output device 10 , such as a monitor or an acoustic system. For example, technical terms or symbols can be used.

Um eine Ausführungsform gemäß Fig. 1 oder 2 im Lernmodus zu verwenden, wird die Analyseeinrichtung 9 über ein Umschal­ temittel auf den Lernmodus und eine Eingabemöglichkeit für die gewünschten Kennzeichen für die einzugebenden Proben umgeschaltet. Der eigentliche Lernvorgang geschieht nach folgendem Ablauf: An bekannten Proben werden Testmessungen durchgeführt und die dazugehörigen Kennzeichen für die jeweilige Probenart eingegeben. Die resultierenden Fluo­ reszenzspektren werden normiert. Aus allen zu einer Proben­ art gehörigen normierten Spektren wird eine Mittelwertkurve gebildet. Sodann werden vorzugsweise die Standardabwei­ chungskurven - unter Berücksichtigung der relativen Abstän­ de - zu den jeweiligen Mittelwertkurven berechnet. Aus den so erhaltenen Abweichungskurven werden Wichtungskurven ermittelt. Eine besonders geeignete Wichtung ist hierbei proportional zum Quadrat des Abstandes. Aus der Wichtungs­ kurve und der Standardabweichungskurve werden die zugehöri­ gen gewichteten Fehler berechnet. Aus der Lage der gewich­ teten Fehler wird eine untere Fehlergrenze etabliert. Ein geeignetes Kriterium hierfür besteht beispielsweise darin, einen oder wenige (relativ zur Anzahl der Testmessungen x%) "Ausreißer" zuzulassen, und den nächstfolgenden gewichteten Fehler als charakteristische Fehlergrenze festzusetzen. Die so gewonnenen Daten werden automatisch in der Analyseein­ richtung 9 gespeichert und können mit den üblichen Daten­ übertragungsmitteln beliebig auf andere Einrichtungen zur Datenverarbeitung übertragen werden.In order to use an embodiment according to FIG. 1 or 2 in the learning mode, the analysis device 9 is switched over to the learning mode via a switching means and an input possibility for the desired characteristics for the samples to be entered. The actual learning process takes place according to the following sequence: Test measurements are carried out on known samples and the associated indicators for the respective sample type are entered. The resulting fluorescence spectra are normalized. An average curve is formed from all the normalized spectra belonging to a sample type. Then the standard deviation curves - taking into account the relative distances - to the respective mean value curves are preferably calculated. Weighting curves are determined from the deviation curves obtained in this way. A particularly suitable weighting is proportional to the square of the distance. The weighted errors are calculated from the weighting curve and the standard deviation curve. A lower error limit is established based on the position of the weighted errors. A suitable criterion for this is, for example, to allow one or a few "outliers" (relative to the number of test measurements x%) and to set the next weighted error as the characteristic error limit. The data obtained in this way are automatically stored in the Analyze device 9 and can be transferred to other data processing devices as desired using the usual data transmission means.

Zur Darstellung des Verfahrens im Besonderen wird eine konkrete Versuchsdurchführung dargestellt: To illustrate the method in particular, a concrete test execution shown:  

Als Testobjekte wurden Kiefergelenkproben von frisch geschlachteten Schweinen herangezogen. Ziel war es, sechs verschiedene Gewebearten zu unterscheiden. Es waren die Muskel, Diskus, Kapsel, Spongiosa, Cortikalis und Knorpel.TMJ samples from freshly slaughtered pigs were used as test objects used. The aim was to differentiate between six different types of tissue. It were the muscle, disc, capsule, cancellous bone, cortical bone and cartilage.

Versuchsbeschreibung . . . Excimer Laser, 308 nm, 110 ns, 140 milli JouleExperiment description. . . Excimer laser, 308 nm, 110 ns, 140 milli joules

Es wurden 60 Meßkurven aufgenommen, also pro Gewebeart 10. Alle 60 Kurven wurden normiert, dann wurden, mit Hilfe dieser Normkurven, die 10 charakteristischen Mittelwertkurven für die verschiedenen Gewebe ermittelt.60 measurement curves were recorded, that is to say 10 for each tissue type. All 60 curves were standardized, then, using these standard curves, the 10 characteristic ones Average curves for the different tissues determined.

Im nächsten Schritt wurden zu diesen Mittelwertkurven die bezogenen Standardabweichungskurven errechnet. Dies ergab für jedes Testgewebe eine Abweichungskurve. Mit der Abweichungskurve konnte die Wichtungsfunktion ermittelt werden.In the next step, the related standard deviation curves were used for these mean value curves calculated. This resulted in a deviation curve for each test fabric. The weighting function could be determined with the deviation curve.

Dabei wurde die Wichtung proportional zum Quadrat des Abstandes vorgenommen:The weighting was carried out in proportion to the square of the distance:

mit i = 1 . . . 6; j = 1 . . . 10with i = 1. . . 6; j = 1. . . 10th

Wird die bezogene StandardabweichungBecomes the related standard deviation

größer als ε, giltgreater than ε applies

wi(λ) = 0w i (λ) = 0

Jetzt wurden die gewichteten Fehler berechnet:Now the weighted errors have been calculated:

Damit ergeben sich für die sechs Gewebearten je zehn gewichtete Fehler. Aus der Lage der Fehler kann man eine untere Fehlergrenze etablieren. In dem hier gerechneten Fall wurde gesagt: Ein Ausreißer ist erlaubt, d. h. der zweitgrößte Fehler wurde zur Fehlergrenze gemacht.This results in ten weighted errors for each of the six tissue types. Out the location of the errors, a lower error limit can be established. In this one case was said: an outlier is allowed, d. H. the second largest Error has been made the error limit.

Der Test lief dann wie folgt ab:
Eine zu prüfende Kurve wurde eingelesen und normiert. Dann wurden für die Kurve alle sechs gewichteten Fehler berechnet:
The test then proceeded as follows:
A curve to be checked was read in and standardized. Then all six weighted errors were calculated for the curve:

wobei G(i) der gewichtete Fehler bezüglich Objekt i ist, und g(λ) die normierte zu prüfende Kurve.where G (i) is the weighted error with respect to object i, and g (λ) is the normalized one curve to be checked.

Aus der Lage der gewichteten Fehler relativ zu den Fehlergrenzen Fi konnte dann mit etwa 90prozentiger Sicherheit ermittelt werden, welches Gewebe vorlag. Das bedeutet, daß das Gewebe zu 10 Prozent nicht erkannt wurde, obwohl es vorlag, und das andersherum das Gewebe mit 10 Prozent Wahrscheinlichkeit fälschlicherweise für ein anderes gehalten wurde.The position of the weighted errors relative to the error limits F i could then be determined with approximately 90 percent certainty which tissue was present. This means that 10 percent of the tissue was not recognized even though it was present, and that the other way around, the tissue was incorrectly mistaken for another with a 10 percent probability.

DreidimensionalThree-dimensional

Wenn man gleichzeitig drei Dimensionen berücksichtigt, nämlich die Intensität, die Wellenlänge und die zeitliche Entwicklung des Rückstrahlspektrums, dann sind die folgenden Änderungen erforderlich. Dabei werden die Wichtungen, die bezogenen Abweichungen usw. als Flächen über der Wellenlänge und der Zeit dargestellt. Die Formeln haben dann dieselbe Gestalt wie oben - nur, daß als weitere Abhängigkeit die Zeit vorkommt.If you consider three dimensions at the same time, namely the intensity, the wavelength and the temporal development of the reflection spectrum, then the following changes are required. The weightings that related deviations etc. as areas over the wavelength and the time shown. The formulas then have the same form as above - only that as further dependence the time occurs.

Die Formeln im einzelnen:
Die Wichtung wird zu:
The formulas in detail:
The weighting becomes:

Die gewichteten Fehler der Testgewebe berechnen sich zu:The weighted errors of the test fabrics are calculated as:

Damit lassen sich wieder die charakteristischen Fehlergrenzen Fi berechnen, die dann wieder mit den gewichteten Fehlern einer unbekannten Probe bzgl. eines zu prüfenden Objekts verglichen werden. Diese gewichteten Fehler G(i) berechnen sich wie folgt:The characteristic error limits F i can thus be calculated again, which are then compared again with the weighted errors of an unknown sample with respect to an object to be tested. These weighted errors G (i) are calculated as follows:

Damit läßt sich auch der zeitliche Einfluß bei der Fluoreszenzuntersuchung als Information für die Mustererkennung einbeziehen.The temporal influence during the fluorescence examination can also be considered as Include pattern recognition information.

fÿ - Normierte Meßkurve einer Eichprobe (i: Objektnummer)
gλ - Normierte Meßkurve einer Probe
fmi - Mittelwertkurve von Eichobjekt i
Δfÿ - (fÿ-fmi)
wi(λ) - Wichtkurve von Objekt i
Fi - Fehlergrenze bzgl. Objekt i
G(i) - gewichtete Fehler aus g(λ) bzgl. Objekt i
ε - Signifikanzschranke (0,05)
λ - Wellenlänge
t - Zeit
j - Nummer der Eichproben eines Objekts i
i - Nummer des Objekts
f ÿ - normalized measurement curve of a calibration sample (i: object number)
g λ - normalized measurement curve of a sample
f mi - mean value curve of calibration object i
Δf ÿ - (f ÿ -f mi )
w i (λ) - weight curve of object i
F i - error limit with respect to object i
G (i) - weighted errors from g (λ) with respect to object i
ε - Significance barrier (0.05)
λ - wavelength
t - time
j - number of calibration samples of an object i
i - number of the object

In Fig. 3 bzw. 4 wird eine Ausführungsform gemäß Fig. 1 dargestellt, die zur automatischen Steuerung eines Gerätes 13 zur Behandlung der Probe 6 bzw. zur Steuerung des die Probe untersuchenden und behandelnden Lasers 1 über eine Rückverbindung 14 verwendet wird. Dabei können das oder die Geräte 13 über die Leitung 15 beispielsweise zur mechani­ schen, aber gleichwohl gezielten Abtragung von Materialien oder zum gezielten Aussortieren unerwünschter Materialien beispielsweise bei der Mülltrennung angelegt sein. Jedes beliebige Gerät 13 erhält somit durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein visuelles Wahrnehmungsvermögen verbunden mit einer entsprechenden Reaktionsfähigkeit. Im Falle der Selbststeuerung des Lasers 1 besteht beispielsweise die bereits erwähnte Möglichkeit, zwischen der reinen Analyse dienlicher, schwacher Laserstärke, und zugleich der Abtra­ gung dienlicher, großer Laserstärke hin- und herzuschalten. Auf diese Weise können beispielsweise in der Medizin unge­ wollte Verletzungen versehentlich vom Laser getroffener Gewebe vermieden und somit eine erheblich unkompliziertere Handhabung des Lasers erreicht bzw. eine Automatisierung des Eingriffs ermöglicht werden. Für diese Zwecke ist es notwendig, daß die Analyseeinrichtung die gewonnenen Daten in entsprechende Steuerungssignale umwandelt und an die zu steuernden Geräte übermittelt.In FIGS. 3 and 4, an embodiment according to FIG. 1, which is used for automatic control of a device 13 for treatment of the sample 6 and for controlling the sample under investigation and treated laser 1 via a return connection 14. The device or devices 13 can be created via the line 15, for example for mechanical, but nevertheless targeted removal of materials or for the targeted sorting out of undesired materials, for example in waste separation. Any device 13 thus receives a visual perception combined with a corresponding responsiveness by the device according to the invention. In the case of the self-control of the laser 1, there is, for example, the possibility already mentioned of switching back and forth between the pure analysis of useful, weak laser strength and, at the same time, the removal of useful, large laser strength. In this way, in medicine, for example, unintended injuries to tissue accidentally hit by laser can be avoided and the laser can thus be handled much more simply or automation of the intervention can be made possible. For these purposes, it is necessary for the analysis device to convert the data obtained into corresponding control signals and to transmit them to the devices to be controlled.

Claims (5)

1. Rückstrahlspektroskopische Vorrichtung, mit
  • a) einer Einrichtung zur Erzeugung (1) und ge­ zielten Weiterleitung (3-5) elektromagneti­ scher Wellen auf eine zu untersuchende Probe (6);
  • b) Mitteln (8) zur Aufnahme und Digitalisierung des resultierenden Rückstrahlspektrums; und
  • c) einer Analyseeinrichtung (9), die derart ausgelegt ist, daß sie
  • c.1) einen Zugriff hat auf c.1.1) eine oder mehrere spezi­ fische Mittelwertkurven, jeweils ge­ bildet aus normierten Rück­ strahlspektren bekannter gleichartiger Proben;
  • c.1.2) eine oder mehrere zugehörige, auf den Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve basierende Wichtungskurven; und
  • c.1.3) dazu gehörige, für die jeweilige Pro­ benart charakteristische Grenzen für gewichtete Fehler;
  • c.2) die ihr von dem Aufnahme-/Digitalisie­ rungsmittel (8) zugeführten digitalisierten Spektren wie folgt auswertet:
  • c.2.1) sie normiert die ihr zugeführten Spek­ tren in gleicher Weise, wie bei den ihr zur Verfügung stehenden spezifi­ schen Mittelwertkurven geschehen, und vergleicht sie mit den vorhandenen Mittelwertkurven;
  • c.2.2) sie wichtet etwaige Abweichungen von den zur Verfügung stehenden Mittel­ wertkurven mit der jeweiligen Wich­ tungskurve; und
  • c.2.3) sie stellt fest, ob die gewichtete Ab­ weichung innerhalb oder außerhalb der jeweils dazugehörigen charakteristi­ schen Grenze für gewichtete Fehler liegt und ob somit das digitalisierte Spektrum der zugehörigen Probenart zu­ zuordnen ist oder nicht; und
  • c.3) die gewonnene Information über eine Ausgabe­ einrichtung (10) ausgibt.
1. reflective spectroscopic device, with
  • a) a device for generating ( 1 ) and ge targeted forwarding ( 3-5 ) electromagnetic waves to a sample to be examined ( 6 );
  • b) means ( 8 ) for recording and digitizing the resulting retroreflective spectrum; and
  • c) an analysis device ( 9 ) which is designed such that it
  • c.1) one has access to c.1.1) one or more specific mean value curves, each formed from standardized retroreflect spectra of known similar samples;
  • c.1.2) one or more associated weighting curves based on the deviations of the individual standardized spectra from their mean value curve; and
  • c.1.3) associated limits for weighted errors that are characteristic of the respective sample type;
  • c.2) evaluates the digitized spectra supplied by the recording / digitizing means ( 8 ) as follows:
  • c.2.1) it normalizes the spectra supplied to it in the same way as with the specific mean value curves available to it, and compares them with the existing mean value curves;
  • c.2.2) it weights any deviations from the available mean value curves with the respective weighting curve; and
  • c.2.3) it determines whether the weighted deviation lies within or outside the respective characteristic limit for weighted errors and whether the digitized spectrum is therefore to be assigned to the associated sample type or not; and
  • c.3) outputs the information obtained via an output device ( 10 ).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Ana­ lyseeinrichtung (9) für einen Lernmodus ausgelegt ist und über eine Eingabemöglichkeit für die ge­ wünschten Kennzeichen der zu lernenden Probenar­ ten und einen Speicher für die gelernten Proben­ arten verfügt.2. Device according to claim 1, in which the analysis device ( 9 ) is designed for a learning mode and has an input option for the desired characteristics of the sample types to be learned and a memory for the sample types learned. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher im Lern­ modus durch Testmessungen an bekannten Proben die benötigten Mittelwert- und Wichtungskurven, sowie die dazugehörigen, für die jeweilige Probenart charakteristischen Grenzen für den gewichteten Fehler von der Analyseeinrichtung (9) ermittelt werden, indem
  • a) die jeweils zu einer Probenart gehörigen Testspektren normiert, gemittelt und anhand der Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve gewichtet werden;
  • b) anhand der auftretenden gewichteten Fehler der Testmessungen eine für die jeweilige Probenart charakteristische Grenze für den gewichteten Fehler ermittelt wird;
  • c) die erzielten Ergebnisse gespeichert werden.
3. Apparatus according to claim 2, in which in the learning mode by means of test measurements on known samples, the required mean and weighting curves, as well as the associated limits characteristic of the respective sample type for the weighted error are determined by the analysis device ( 9 ) by
  • a) the test spectra belonging to each sample type are standardized, averaged and weighted based on the deviations of the individual standardized spectra from their mean value curve;
  • b) a characteristic limit for the weighted error, which is characteristic of the respective sample type, is determined on the basis of the weighted errors of the test measurements;
  • c) the results obtained are saved.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, bei welcher die Ausgabeeinrichtung (10) die gewonnene Information auch oder ausschließlich als Steuersignale für ein oder mehrere Geräte (13) zur Behandlung der Probe (6) aus- und an die Geräte (13) weitergibt.4. Device according to one of the preceding claims, in which the output device ( 10 ) also or exclusively outputs the information obtained as control signals for one or more devices ( 13 ) for treating the sample ( 6 ) and forwards them to the devices ( 13 ) . 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Ein­ richtung zur Erzeugung (1) und gezielten Weiter­ leitung (3-5) elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe (6) als Laser zur Behand­ lung oder Abtragung von Gewebe oder anderen Mate­ rialien ausgebildet ist, und die Analyseeinrich­ tung (9) die Identifikationen bzw. Analysen der jeweils betroffenen Probe (6) in Steuersignale für den entsprechenden Weiterbetrieb des Lasers (1) umwandelt.5. The device according to claim 4, wherein the device for generating ( 1 ) and targeted transmission ( 3-5 ) of electromagnetic waves to a sample to be examined ( 6 ) is designed as a laser for treatment or ablation of tissue or other materials is, and the Analyteinrich device ( 9 ) converts the identifications or analyzes of the respective sample ( 6 ) into control signals for the corresponding continued operation of the laser ( 1 ).
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