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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Modulation
der Temperatur, um Gewebeeigenschaften sowie den Blut- und Fluidgehalt und
den Blut- und Fluidfluss in einem Gewebe eines Individuums zu verändern. Dieses
Verfahren erleichtert das nichtinvasive Messen von Analyten durch
die Modulation der Temperatur des Gewebes, das analysiert wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Seit
langem besteht ein beträchtliches
Interesse an der nichtinvasiven Überwachung
der Körperchemie.
Es gibt 16 Millionen Amerikaner mit Diabetes, denen allen ein Verfahren
für die
nichtinvasive Messung des Blutglucosespiegels zugute kommen würde. Bei
Verwendung der gegenwärtig
allgemein anerkannten Verfahren zum Messen des Blutglucosespiegels
müssen
viele Diabetiker fünf
bis sieben Mal pro Tag Blut abgeben, um ihren Gesundheitszustand
angemessen zu überwachen.
Mit einer nichtinvasiven Blutglucosemessung könnte eine bessere Kontrolle
auferlegt werden und die anhaltenden Schäden, Beeinträchtigungen
und Kosten, die von Diabetes verursacht werden, könnten auf
ein Minimum herabgesetzt werden.
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Blutoxymetrie
ist ein Beispiel der Anwendung der elektronischen Absorptionsspektroskopie auf
die nichtinvasive Überwachung
des Gleichgewichts zwischen sauerstoffangereichertem und sauerstoffverarmtem
Blut (US-Patent Nr. 5,615,673, erteilt am 1. April 1997). In ähnlicher
Weise ist die Schwingungsspektroskopie eine zuverlässige An
der quantitativen und qualitativen ex vivo Analyse für komplexe
Mischungen, und es gibt Berichte über in vitro Anwendungen dieses
Verfahrens auf metabolisch interessante Analyten (S. Y. Wang et
al., 1993, Analysis of metabolites in aqueous solution by using laser
Raman spectroscopy, Applied Optics 32(6): 925-929; A. J. Berger
et al., 1996, Rapid, noninvasive concentration measurements of aqueous
biological analytes by nearinfrared Raman spectrosco py, Applied
Optics 35 (1): 209-212). Infrarotmaßnahmen wie die Schwingungsabsorptionsspektroskopie
wurden auf das Hautgewebe angewandt, wobei jedoch der Erfolg durch
die Nichtverfügbarkeit
von geeigneten Lichtquellen und -detektoren bei kritischen Wellenlängen, die
Störung
durch Wasser und durch Erwärmen
des Gewebes aufgrund der Absorption der auftreffenden Strahlung
begrenzt war (US-Patent
Nr. 5,551,422, siehe auch R. R. Anderson und J. A. Parrish, 1981,
The Optics of Human Skin, J. Investigative Dermatology 77 (1): 13-19;
K. Robinsen, 1998, Biophotonics Internat'l 5 (3): 48-52). Frühere Versuche, Verfahren für die nichtinvasive
Blutglucoseüberwachung
und -oxymetrie zur Verfügung
zu stellen, sind in dem US-Patent Nr. 5,553,616, erteilt am 10.
September 1996, den internationalen Patentanmeldungen WO 93/00856,
WO 98/03847 und WO 97/36540 und der europäischen Patentanmeldung Nr.
0247777 zusammengefasst. Der Oberbegriff von Anspruch 1 wird als
auf WO 93/00856 basierend angesehen.
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Eine
optimale Anwendung der nichtinvasiven Techniken für die Blutanalyse
erfordert verbesserte Verfahren zum Isolieren von Signalen, die
auf Blut im Gegensatz zu umgebenden Geweben zurückzuführen sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die Begrenzungen des Stands der Technik zu überwinden, stellt die Erfindung
eine Vorrichtung und ein Verfahren für die thermische Gewebemodulation
zur Verfügung.
Die Vorrichtung und das Verfahren können mit nichtinvasiver Spektroskopie, wie
der Raman-Spektroskopie, für
die Analyse verschiedener Merkmale von Gewebe und Blut eines Individuum
verwendet werden.
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Die
Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Modulation von Gewebe zur
Verwendung während
der Spektroskopie von Gewebe eines Individuums zur Verfügung. Bei
einer Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung eine innere Hülse bzw. Mantel, eine äußere Hülse bzw.
Mantel und ein Fenster, das durch den inneren und den äußeren Mantel
hindurch angeordnet ist, wobei der innere und der äußere Mantel ein
ausreichend flexibles Material derart umfassen, dass die Vorrichtung
an einem Bereich des Gewebes befestigt werden kann, das spektroskopisch
zu untersuchen ist, wobei der innere und der äußere Mantel so miteinander
verbunden sind, dass mindestens ein Temperatursteuerungselement
zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel
angeordnet sein kann und wobei das Fenster ausreichend transparent
ist, damit elektromagnetische Strahlung durch den inneren und den äußeren Mantel
hindurch an ein darunterliegendes Gewebe übermittelt und von diesem gesammelt
werden kann.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung ein Mittel zum Ändern der Temperatur eines
Bereichs von Gewebe eines Individuums, ein Mittel zur Befestigung
der Vorrichtung an dem Gewebe und ein Fenster, wobei das Fenster
ausreichend transparent ist, damit elektromagnetische Strahlung durch
die Vorrichtung hindurch an ein darunterliegendes Gewebe übermittelt
und aus diesem gesammelt werden kann. Bei einer Ausführungsform
umfasst das Mittel zum Befestigen der Vorrichtung an Gewebe einen
Mantel, einen Fingerling, eine Manschette, einen Riemen, einen geformten
Probenhalter oder ein Klebemittel.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung des weiteren ein Temperatursteuerungselement,
das zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel angeordnet ist.
Die Vorrichtung kann des weiteren ein Temperatursensorelement umfassen,
das zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst das Temperatursteuerungselement Draht, wie
beispielsweise mit Teflon beschichtetes Nichrom. Das Temperatursteuerungselement
kann ein Heizelement oder ein Kühlelement
oder sowohl ein Heizelement als auch ein Kühlelement umfassen. Vorzugsweise umfasst
die Vorrichtung des weiteren ein Wärmetransferfluid innerhalb
des Raums zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel. Beispiele des
Wärmetransferfluids
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Glycerin, Silicon
und Öl
wie Olivenöl. Das
Wärmetransferfluid
kann ein deuteriertes Molekül
enthalten.
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Bei
einer Ausführungsform
der Vorrichtung umfasst das Fenster eine im wesentlichen ringförmige Öffnung in
dem inneren und dem äußeren Mantel. Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Fenster eine Linse. Das Fenster besitzt einen Durchmesser
von vorzugsweise etwa 1 mm bis etwa 10 mm.
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Der
innere und der äußere Mantel
der Vorrichtung können
eine im wesentlichen zylindrische Gestalt besitzen, einen Fingerling
aufweisen und/oder eine Manschette aufweisen. Vorzugsweise umfasst
das flexible Material Latex.
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Die
Erfindung stellt außerdem
ein Verfahren zur Modulation der Temperatur von Gewebe eines Individuums
zur Verfügung,
das spektroskopisch zu untersuchen ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren das Anlegen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zu Modulation von Gewebe an dem Gewebe, das Hindurchführen von Strom
durch das Temperatursteuerungselement hindurch, um die Temperatur
des Gewebes zu erhöhen oder
abzusenken, und das Hindurchführen
von elektromagnetischer Strahlung durch das Fenster der Vorrichtung
hindurch. Vorzugsweise wird die spektroskopische Untersuchung durchgeführt, wenn
die Temperatur des Gewebes erhöht
oder abgesenkt worden ist und wenn die Temperatur des Gewebes nicht
erhöht
oder abgesenkt ist. Das Verfahren kann des weiteren das Sammeln
von Ramanspektren, die durch das Gewebe abgegeben werden, umfassen.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Überwachen von Phasenübergängen und
dadurch ein Verfahren zur Bestimmung des Lipidgehalts und der Lipididentität und des
Proteingehalts in dem Gewebe eines Individuums zur Verfügung. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren das Anlegen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Modulation von Gewebe an dem Gewebe, das Hindurchführen von
Strom durch das Temperatursteuerungselement hindurch zum Erhöhen oder
Absenken der Temperatur des Gewebes und das Hindurchführen von
elektromagnetischer Strahlung durch das Fenster der Vorrichtung
hindurch. Vorzugsweise wird eine spektroskopische Untersuchung durchgeführt, wenn
die Temperatur des Gewebes erhöht
oder abgesenkt worden ist und wenn die Temperatur des Gewebes nicht
erhöht
oder abgesenkt ist. Das Verfahren kann des weiteren das Sammeln
von Ramanspektren umfassen, die von dem Gewebe abgegeben werden.
Die gesammelten Spektren werden dann zur Bestimmung des Lipidgehalts,
der Lipididentität
und/oder des Proteingehalts und der Proteinidentität des Gewebes
analysiert. Vorzugsweise umfasst die Analyse die Bestimmung des
Unterschieds der Anzahl von ramanverschobenen Photonen, die von
dem Gewebe bei unterschiedlichen Temperaturen abgegeben werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Vorderansicht einer Vorrichtung zur Modulation von Gewebe,
die zum Anlegen an einer Fingerspitze geeignet ist.
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2 ist
eine Seitenansicht der in 1 gezeigten
Vorrichtung zur Modulation von Gewebe.
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3 ist
eine Ansicht von unten der in 1 gezeigten
Vorrichtung zur Modulation von Gewebe.
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4 ist
eine graphische Darstellung, die die Bestimmung eines isosbestischen
Punkts zeigt.
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5 ist
eine schematische Darstellung eines Zweilinsensystems zum Übermitteln
von Licht an ein Gewebe und zum Sammeln des Lichts aus diesem für eine spektroskopische
Untersuchung.
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6 ist
ein Diagramm, das die Anzahl der ramanverschobenen Photonen bei
Wellenzahlen unterhalb von 2000 cm–1 nach
Subtrahieren der Messungen, die von einer gekühlten Fingerspitze genommen
wurden, von den Messungen, die von der gleichen Fingerspitze bei
Raumtemperatur genommen wurden, zeigt.
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7 ein
Diagramm, das die Daten von 6 in unbearbeiteter
Form (vor der Subtraktion) zeigt. Die obere Kurve (siehe die Spitze
in der Nähe von
1450 cm–1)
zeigt Spektren, die von dem gekühlten
Gewebe gesammelt wurden. Die untere Kurve zeigt Spektren, die bei
Raumtemperatur gesammelt wurden.
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8 ist
ein Diagramm, das die Daten von 7, jedoch
vergrößert zeigt,
um den Bereich der Spektren in der Nähe von 1450 cm–1 zu
zeigen.
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9 ist
ein Diagramm, das die Daten von 7, jedoch
vergrößert zeigt,
um den Bereich der Spektren in der Nähe von 1100 cm–1 zu
zeigen.
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10 ist
ein Diagramm, das die Daten der langen Verschiebung zeigt, die den
in 6 gezeigten Daten entsprechen.
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11 ist
ein Diagramm, das die Daten von 10 in
unbearbeiteter Form (vor der Subtraktion) zeigt. Die Kurve, die
bei 2700 bis 2800 cm–1 niedriger und in der
Nähe von
2900cm–1 höher ist,
zeigt Daten, die gesammelt wurden, wenn das Gewebe gekühlt wurde,
und die andere Kurve zeigt Daten, die bei Raumtemperatur gesammelt
wurden.
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12 ist
eine schematische Darstellung eines konfokalen Vierlinsensystems
für die
Kombination einer Tiefendiskriminierung mit der Spektroskopie.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Die
hier offenbarte Erfindung beschreibt eine Vorrichtung für das Manipulieren
der Temperatur bei der Gewebemodulation. Die Vorrichtung kann nichtinvasiv
verwendet werden. Die Vorrichtung sorgt für eine Steuerung der Gewebetemperatur
während der
Modulation. Die Vorrichtung moduliert Gewebeeigenschaften sowie
den Blutfluss und -gehalt unter Verwendung von entweder einer wärmeinduzierten Gefäßerweiterung
oder einer wärmeinduzierten
Gefäßverengung
oder wärmeinduzierten
Ordnung-Unordnung-Umwandlungen auf der Basis von Lipid oder proteinfaltender
Dynamik. Wenn die Gewebetemperatur abgesenkt wird, wird der Blutfluss
zu und von dem Bereich des Gewebes verringert. Wenn die Gewebetemperatur
erhöht
wird, kehrt der Blutfluss zu dem betreffenden Gewebe zurück. Die
Manipulierung des Flusses und der Temperatur gestattet eine vollständigere
Modulation des Blut- und Fluidgehalts. Der Unterschied zwischen
Messungen, die in dem bluterfüllten
und blutentleerten Zustand durchgeführt wurden, stellt ein Maß dar, das
die Komponenten im Blut angibt, während die Wirkungen von fremden spektroskopischen
Signalen aufgrund von Schwielen, Ölen, Schmutz, Seifenresten
und anderen Quellen, die mit dem umgebenden Gewebe zusammenhängen, auf
ein Minimum herabgesetzt werden. Wenn die thermische Gewebemodulation
während der
nichtinvasiven Spektroskopie verwendet wird, kann die Analyse beispielsweise
die Bestimmung des Unterschieds zwischen den Spektren umfassen, die
in dem bluterfüllten
und blutentleerten Zustand gesammelt werden. Das Verfahren kann
auch das Induzieren von Veränderungen
der Proteinfaltung und der Lipidzustände der Aggregation umfassen.
Diese Veränderungen
können
zur Bestimmung der Lipididentität
und des Lipidgehalts oder der Proteinidentität und des Proteingehalts im
Blut und den umgebenden Geweben verwendet werden. Die Verfahren
können
auch zur Bestimmung von Analytkonzentrationen wie Glucose, Harnstoff,
Triglyceride, Kreatinin, Lactat, Pyruvat und anderen verwendet werden.
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Definitionen
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Alle
wissenschaftlichen und technischen Begriffe, die in dieser Anmeldung
verwendet werden, haben Bedeutungen, die auf dem Fachgebiet üblicherweise
verwendet werden, es sei denn etwas anderes ist angegeben. Wie in
dieser Anmeldung verwendet, haben die nachstehend angegebenen Worte oder
Ausdrücke
die angegebene Bedeutung.
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Wie
hier verwendet, bedeutet "Gewebe" irgendeinen Teil
eines Organs oder Systems des Körpers,
einschließlich,
jedoch nicht beschränkt
auf, Haut, Kapillarbetten, Blut, Muskel, Brust und Hirn. Vorzugsweise
ist das Gewebe Blut in den Kapillarbetten einer Fingerspitze.
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Wie
hier verwendet, bedeutet "bluterfüllt" einen Zustand, bei
dem Blut durch das Gewebe strömt und
der interstitielle Fluidgehalt eines Gewebes nicht durch beispielsweise
eine Gefäßverengung,
die durch Kühlen
oder die Anwendung von Druck induziert ist, blockiert ist. Der bluterfüllte Zustand
kann durch Bedingungen verbessert werden, die die Gefäßerweiterung
erhöhen,
wie durch Erwärmen.
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Wie
hier verwendet, bezieht sich "blutentleert" auf einen Zustand,
bei dem der Blutfluss durch ein Gewebe und der interstitielle Fluidgehalt
eines Gewebes im wesentlichen eingeschränkt sind und das Blutvolumen
auf ein Minimum herabgesetzt ist. Ein blutentleerter Zustand kann
beispielsweise durch Kühlen
und/oder die Anwendung von Druck auf das Gewebe erzielt werden.
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Wie
hier verwendet, bezieht sich "Mantel" auf ein Material,
das auf einem Bereich des spektroskopisch zu untersuchenden Gewebes
aufgebracht werden kann. Ein "Mantel" kann ein Gewebebereich
wie eine Fingerspitze oder ein Ohrläppchen umgrenzen. Alternativ
kann der Mantel einer Gewebeoberfläche entsprechen und mit Riemen,
Klebstoff oder einem anderen Material an Ort und Stelle gehalten
werden.
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Wie
hier verwendet, bezieht sich "flexibel" auf die Eigenschaft
des Mantelmaterials, die es ihm gestattet, verschiedene Gestalten
anzunehmen.
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Wie
hier verwendet, bedeutet an einem Gewebebereich "befestigt", dass die Vorrichtung einen stetigen
und kontinuierlichen Kontakt mit dem Gewebe während eines Zeitraums von Minuten
derart aufrechterhalten kann, dass angemessen zuverlässige Messungen
dem Gewebe entnommen werden können.
Die Vorrichtung kann auf dem Gewebe als Fingerling, der an einer
Fingerspitze angebracht ist, angebracht werden. Alternativ kann
das Gewebe an der Vorrichtung angebracht werden, wie eine Fingerspitze,
die in einem geformten Probenhalter untergebracht ist oder an einer
festen Oberfläche
mit einem Riemen angebracht ist.
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Wie
hier verwendet, ist das "Wärmeübertragungsfluid" ein thermisch stabiles,
elektrisch isolierendes Fluid, das die Verteilung der Wärme oder
Kälte erleichtert.
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Wie
hier verwendet, bedeutet "Fenster" eine Öffnung (Fehlen
von Material) oder ein transparentes Material. Das Materialist ausreichend
transparent, damit elektromagnetische Strahlung von einer ersten Seite
des Fensters durch das Material zu dem Gewebe eines Individuums,
das sich an der zweiten Seite des Fensters befindet, hindurchtreten
kann, und das von dem Gewebe gestreute Licht an der oder in der Nähe der ersten
Seite des Fensters erfasst werden kann.
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Wie
hier verwendet, bezieht sich "Phasenumwandlung" oder "Ordnung-Unordnung-Umwandlung
auf die relative Orientierung und Starrheit der Anordnung der Lipidseitenketten
in interstitiellen Fluida, Kapillarwänden, Membranen, Blut und Liposomen
usw.
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Wie
hier verwendet, bedeutet "ein" mindestens eines
und kann eine Vielzahl umfassen.
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Gewebemodulationsvorrichtung
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Die
hier offenbarte Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, die
für die
Modulation der Temperatur in einem Gewebe verwendet werden kann.
Die Vorrichtung ist für
die Verwendung zusammen mit Verfahren zum Messen eines Analyten
in dem Gewebe geeignet. Die Vorrichtung kann nichtinvasiv verwendet
werden. Die Vorrichtung ist zur Verwendung während der Spektroskopie des
Gewebes eines Individuums geeignet. Bei einer Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung einen inneren Mantel, einen äußeren Mantel
und ein Fenster, das durch den inneren und den äußeren Mantel hindurch angeordnet
ist, wobei der innere und der äußere Mantel
ein ausreichend flexibles Material umfassen, so dass die Vorrichtung
an einem Gewebebereich, der spektroskopisch zu untersuchen ist, befestigt
werden kann, wobei der innere und der äußere Mantel miteinander derart
verbunden sind, dass mindestens ein Temperatursteuerungselement
zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel
angeordnet werden kann, und wobei das Fenster ausreichend transparent
ist, so dass elektromagnetische Strahlung durch den inneren und
den äußeren Mantel
hindurch an das darunterliegende Gewebe übermittelt und aus diesem gesammelt
werden kann.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung des weiteren ein Temperatursteuerungselement,
das zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel angeordnet ist.
Die Vorrichtung kann des weiteren ein Temperatursensorelement umfassen,
das zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst das Temperatursteuerungselement Draht wie beispielsweise
mit Teflon beschichtetes Nichrom. Das Temperatursteuerungselement
kann ein Heizelement oder ein Kühlelement
oder sowohl ein Heizelement als auch ein Kühlelement, die parallel vorgesehen sind,
umfassen. Wenn sowohl ein Heizelement als auch ein Kühlelement
verwendet werden, können
sie unter getrennter oder koordinierter Steuerung stehen.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung des weiteren ein Wärmetransferfluid innerhalb
des Raums zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel. Beispiele des
Wärmetransferfluids
umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Glycerin, Silicon
und Öl
wie Olivenöl.
Das Wärmetransferfluid kann
ein deuteriertes Molekül
umfassen. Die Verwendung eines deuterierten Moleküls kann
die Störung
vermeiden, die durch Raman-Streuung aufgrund des Wärmetransferfluids
verursacht wird, da die von dem deuterierten Molekül abgegebenen
Ramanspektren andere sind, als diejenigen des Lichts und des Gewebes.
Vorzugsweise sind die Mäntel
an den Außenrändern und
um das Fenster herum derart abgedichtet, dass Fluid nicht aus dem
Zwischenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Mantel austreten kann.
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Bei
einer Ausführungsform
der Vorrichtung umfasst das Fenster eine im wesentlichen ringförmige Öffnung oder
ein im wesentlichen ringförmiges Loch
in dem inneren und dem äußeren Mantel.
Bei einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Fenster eine Linse. Das Fenster besitzt einen Durchmesser von
vorzugsweise etwa 1 mm bis etwa 10 mm. Die Linse kann auch derart
gestaltet sein, dass sie Druck auf das zu untersuchende Gewebe als
Mittel der Druckmodulation ausübt.
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Der
innere und der äußere Mantel
der Vorrichtung können
eine im wesentlichen zylindrische Gestalt und einen Fingerling und/oder
eine Manschette aufweisen. Vorzugsweise umfasst das flexible Material
der Mäntel
Latex. Bei bevorzugten Ausführungsformen
besitzt die Vorrichtung ähnliche
Abmessungen wie ein Fingerling. Das flexible Mantelmaterial gestattet
die Anpassung an verschiedene Fingerabmessungen. Vorzugsweise beträgt die Gesamtlänge der
Vorrichtung etwa 6 cm und der Gesamtdurchmesser an dem offenen Ende
beträgt
etwa 2 cm. Bei der Vorrichtung kann eine Vielzahl von Mantelmaterialien
verwendet werden.
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Bei
einer Ausführungsform
sind der innere und der äußere Mantel
durch einen Spalt von etwa 50 bis etwa 1000 μm getrennt. Eine elektrische
Verbindung mit einem Thermoelement kann in der Nähe des offenen Endes der Vorrichtung
angeordnet sein. Der Spalt zwischen den beiden Mänteln ist vorzugsweise mit
etwa 1 bis 2 ml des Wärmetransferfluids gefüllt und
der Spalt zwischen den Mänteln
ist an dem offenen Ende der Vorrichtung, an dem der Finger eingesetzt
wird, wie in 1 und 2 gezeigt, abgedichtet.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
ist die Gestalt des Mantels derart, dass er eng über die Fingerspitze und bis
zu dem ersten Fingergelenk passt. Der innere und der äußere Mantel
sind um das breite Ende herum derart verbunden, dass keine Flüssigkeit
austritt. Abgesehen von dem Heizelement kann eine thermoelektrische
Kühleinrichtung
(wie eine Peltier-Vorrichtung) im Inneren der beiden Mäntel angeordnet
werden, und es können
getrennte elektrische Verbindungen durch den äußeren Mantel zu dem bzw. den
Kühlelementen)
hergestellt werden. Die elektromagnetische Strahlung, die das Gewebe durch
das Fenster kontaktiert, wird berücksichtigt. Fachleute können für Abänderungen
des Fensters aufgeschlossen sein, das die elektromagnetische Strahlung
in Kontakt mit dem Gewebe zum Zwecke der Durchführung von Messungen der abgegebenen Spektren
bringen kann.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Vorrichtung ein Mittel zum Ändern der Temperatur eines
Bereichs des Gewebes bei einem Individuum, ein Mittel zum Befestigen
der Vorrichtung an dem Gewebe und ein Fenster, wobei das Fenster
ausreichend transparent ist, so dass elektromagnetische Strahlung
durch die Vorrichtung hindurch an ein darunterliegendes Gewebe übermittelt
und aus diesem gesammelt werden kann. Das Mittel zum Ändern der Temperatur
des Gewebebereichs kann ein Heizelement und/oder ein Kühlelement
umfassen. Das Mittel zum Ändern
der Temperatur kann ein Temperatursteuerungselement wie vorstehend
beschrieben sowie irgendein Material umfassen, das die Temperatur des
Gewebes erhöhen
oder absenken kann. Bei einer Ausführungsform umfasst das Mittel
zum Befestigen der Vorrichtung an Gewebe einen Mantel, einen Fingerling,
einen Riemen, einen geformten Probenhalter oder einen Klebstoff.
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Verschiedene
Modifikationen der Vorrichtung können
durchgeführt
werden, um verschiedene Ausführungsformen
des Verfahrens zu umfassen. Beispielsweise kann die Vorrichtung
mit einer druckinduzierenden Vorrichtung, die einer kleinen Blutdruckmanschette ähnelt, oder
an einer nichtflexiblen Vorrichtung wie einem ortsfesten Probenhalter
verwendet werden. Die Druck- und/oder thermische Modulation kann
zur Bewirkung der Gewebemodulation verwendet werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Vorrichtung, die dazu bestimmt ist, um eine Fingerspitze herum
angebracht zu werden, ist in 1 bis 3 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 1 zeigt eine Vorderansicht des
Fingerspitzenbereichs die Vorrichtung 100, innerhalb derer
ein Heizdraht 110 in der Nähe des Fensters 140 aufgewickelt
ist, durch das hindurch spektroskopische Messungen durchgeführt werden
können.
Ein erstes Paar elektrischer Anschlüsse 120 ist an dem
Heizdraht 110 befestigt und ein zweites Paar elektrischer
Anschlüsse 130 ist
an einem Thermoelement befestigt.
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2 zeigt
eine Seitenansicht der gleichen Vorrichtung 100 von 1.
Diese Ansicht zeigt den Heizdraht 110, der so angeordnet
ist, dass er das Fenster 140 aufnimmt. Der elektrische
Anschluss 120 und der äußere Mantel 210 und
der innere Mantel 220 sind auch gezeigt. 3 zeigt
eine Ansicht von unten der gleichen Vorrichtung 100, bei
der die Anordnung der Kühlelemente 310 entlang
der Seiten des Fensters 140 zu sehen ist und bei dieser
Ausführungsform
rechtwinklig zu den Wicklungen des Heizdrahts 110 verläuft. Der
elektrische Anschluss 120 und der äußere Mantel 210 und
der innere Mantel 220 sind auch gezeigt.
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Mit
Bezug auf die besondere Ausführungsform
zur Verwendung mit einer Fingerspitze, die in 3 dargestellt
ist, kann die Vorrichtung ein Loch mit abgedichteten Rändern umfassen,
durch das eine optische Vorrichtung für die Feststellung elektromagnetischer
Strahlung verwendet werden kann. Kühlelemente sind an beiden Seiten
des distalen Lochs angeordnet. Vorzugsweise besitzen die Kühlelemente
eine Länge
von etwa 3 bis etwa 5 mm und sind in einem Abstand von etwa 1 bis
2 mm an jeder Seite des Lochs angeordnet. Die Kühlelemente können auch
entlang der gesamten Länge
des Fingers angeordnet werden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorrichtung Teil einer Vorrichtung oder eines Systems, die
bzw. das zusätzlich
ein Mittel zum Bestrahlen des Gewebes mit einer Lichtquelle und/oder
ein Mittel zum Sammeln und Feststellen des von dem bestrahlten Gewebe
abgegebenen Lichts umfasst. Ein oder mehrere Strahlenteiler und
zusätzliche
Linsen, Filter und Kollimatoren können in den Strahlengang eingeführt werden,
um das Licht, das in das Gewebe eintritt oder aus diesem austritt,
zu modifizieren.
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Eine
schematische Darstellung eines bevorzugten Systems zur spektroskopischen
Untersuchung eines Gewebes ist in 5 gezeigt.
Eine Quelle elektromagnetischer Strahlung wie ein Laser 500 richtet
Licht durch ein Periskop 502. Das Periskop hilft bei der
Ausrichtung des Lichts mit dem Eingangsschlitz des Spektrographen 538.
Von dem Periskop 502 wird das Licht dann durch eine Linse 504 mit
einer langen Brennweite, beispielsweise f = 4,0 m geleitet, die
die Divergenz korrigiert. Dann wird das Licht durch eine Halbwellenplatte 506 geleitet,
die dazu dient, die Polarisierung des Lichts zu drehen, um die Funktion
des holographischen Bandpassfilters zu optimieren. Als nächstes wird
das Licht durch eine Irisblende 508 und einen Metall-/dielektrischen Filter 510 geleitet,
die beide dazu dienen, Licht mit unerwünschten Wellenlängen zu
entfernen. Das Licht wird dann durch einen holographischen Bandpassfilter 512 und
ein zweites Periskop 514 geleitet, die die Ausrichtung
des Lichts mit dem Eingangsschlitz des Spektrographen 538 aufrechterhalten.
Die Polarisierung des Lichts wird wieder gedreht, um S-polarisiertes
Licht mit Bezug auf den Eingangsschlitz des Spektrographen 538 über eine
zweite Halbwellenplatte 516 zu erzielen. Das Licht tritt
dann durch eine weitere Irisblende 518, eine Reihe von Spiegeln 520, 522, 524 und
eine Fokussierlinse 526 hindurch, die das Licht auf dem
Gewebe in dem Probenhalter 528 dort fokussiert, wo die
Gewebemodulationsvorrichtung angeordnet ist.
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Abgegebenes
Licht wird dann durch eine Kameralinse 530 parallel ausgerichtet,
bevor es in einen Polarisationsfilter 532 eintritt, wobei
letzterer polarisationsverschobenes Licht entfernt. Das Licht tritt dann
durch einen holographischen Kerbfilter 534 hindurch, um
Licht zu entfernen, dessen Wellenlänge nicht verschoben ist, und
dann durch eine weitere Kameralinse 536 hindurch, die Licht
auf den Spektrographen 538 fokussiert, an den ein Detektor 540 gekoppelt
ist. Der Detektor kann beispielsweise ein Mehrkanal- oder ein Einzelkanaldetektor
sein. Beispiele von Detektoren umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf
eine CCD-Anordnung,
eine Mikrobolometeranordnung, eine Avalanche-Photodiode oder einen
Photomultiplier.
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Verfahren
der Erfindung
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Die
Erfindung schafft ein Verfahren zur Messung des Blutvolumens gleichzeitig
mit der Messung eines Signals oder von Signalen, das bzw. die für Blutanalytspiegel,
die Zusammensetzung und Aggregationszustände kennzeichnend ist bzw.
sind: Die Blutvolumenmessung sorgt für die notwendige Normalisierung
der Blutanalytmessungen, um die Berechnung des Konzentrationsgehalts
zu gestatten. Die Zusammensetzungs- und Aggregationszustandsdaten
können
mathematisch mit dem Lipidgehalt und -typ und dem Proteingehalt
und -typ in Beziehung gesetzt werden. Die Größe der gemessenen Änderungen
als Funktion der Temperatur ist etwa proportional zu dem Gehalt.
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Die
Ramanspektroskopie kann verwendet werden, um Informationen über Fettsäuren und Phospholipide
zu erhalten. Die 2850 cm–1 Ramanbande ist der
symmetrische C-H-Streckungsmodus und von relativ konstanter Intensität unter
variierenden Temperaturen. Das Intensitätsverhältnis der 2890 und 2850 cm–1 Banden
wird verwendet, um die Übergangstemperatur,
d.h. die Schmelztemperatur, von Lipiden und Phospholipiden zu überwachen (Brown,
K.G. et al., 1973, Biochem. Biophys. Res. Commun. 54:358; Larsson,
K., 1973, Chem. Phys. Lipids 10:165; Mendelsohn, R., 1973, Nature
243:22). Das Verhältnis
der 2890 cm–1 Bande
zur 2850 cm–1 Bande
verschiebt sich als Funktion der Temperatur, wobei es mit ansteigender
Temperatur abnimmt. Eine graphische Darstellung dieses Verhältnisses
als Funktion der Temperatur verschiebt sich bei höheren Temperaturen
in Richtung auf höhere
Verhältnisse für gesättigte Fette
und einfache Lipide, während
es sich für
ungesättigte
Fette und Phospholipide in der entgegengesetzten Richtung verschiebt.
So können die
nichtinvasiven Verfahren der Erfindung dazu verwendet werden, Informationen über die
Identität
und den Gehalt von Lipiden bei einem Individuum zu erhalten.
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Temperatur
und Druck können
verwendet werden, um den kapillaren Gehalt zu beeinflussen und obgleich
diese in einem hohen Ausmaß gesteuert
werden kön nen,
ist es wünschenswert,
eine spezifische Vorrichtung zu erfinden, um die Normalisierung
zu unterstützen.
Die vorliegende Erfindung gestattet eine Normalisierung, die aufgrund
von Unterschieden zwischen den individuellen Anatomie- und Blutflussmustern
weniger fehleranfällig
ist. Sie unterstützt
auch die Integrierung der mechanischen Erfordernisse für die Gewebemodulation
mit dem optischen System, die erforderlich sind, um die Blut-/Fluid-/Gewebeanalytmessungen
zu beeinflussen.
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Das
Verfahren umfasst das Bestrahlen des Gewebes in einem bluterfüllten Zustand
(warm oder ohne Druck) mit elektromagnetischer Strahlung mit einer
Erregungswellenlänge
aufweist und Sammeln der von dem Gewebe im bluterfüllten Zustand
(warm oder ohne Druck) abgegebenen Spektren. Das Verfahren umfasst
des weiteren das Bestrahlen des Gewebes in einem blutentleerten
(kühlen
oder unter Druck gesetzten) Zustand mit elektromagnetischer Strahlung
mit einer Erregungswellenlänge
und Sammeln der von dem Gewebe im blutentleerten (kühlen oder
unter Druck gesetzten) Zustand abgegebenen Spektren. Das Verfahren
umfasst des weiteren das Analysieren der gesammelten Spektren, um
eine Konzentration des im Gewebe vorhandenen Analyten zu bestimmen,
wobei das Analysieren die Bestimmung des Unterschieds zwischen den
Spektren, die in dem bluterfüllten
(warmen) und in dem blutentleerten (kalten) Zustand gesammelt wurden.
Beispiele der Spektren, die gesammelt werden können, umfassen, sind jedoch
nicht beschränkt
auf, Raman-, Kernspinresonanz-(NMR-), Elektronenspinresonanz- (ESR-),
UV sichtbare Absorptions-, Infrarotabsorptions-, Fluoreszenz- und
Phosphoreszenzspektren.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
ist das Gewebe Blut, wie Blut, das in den Kapillarbetten der Fingerspitze
zirkuliert. Auch andere Gewebe können verwendet
werden, wie z.B. Ohrläppchen,
Muskeln, Haut, Brust oder Hirn. Das Individuum ist vorzugsweise
ein Wirbeltier, wie ein Säuger,
Vogel, Reptil oder Fisch. Beispiele von Säugern umfassen, sind jedoch nicht
beschränkt
auf, Menschen, Rinder, Schweine, Schafe, Mäuse, Pferde, Hunde und Katzen.
Bei einer am meisten bevorzugten Ausführungsform ist das Individuum
ein Mensch.
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen
umfasst das Analysieren die Bestimmung des Blutvolumens durch Kontaktieren
des gewebemodulierten Bereichs mit Licht, das derart gewählt wurde,
dass es eine Wellenlänge
bei eiem isosbestischen Punkt von beispielsweise dem binären Oxydesoxyhämoglobingleichgewicht
(805 und 580 nm) wie in 4 gezeigt besitzt. Die Menge
an Licht, das zurückkehrt,
steht in einer in etwa inversen Beziehung zum Volumen des Bluts
in dem kontaktierten Bereich.
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Bei
einer Ausführungsform
stellt die Erfindung ein Verfahren der Modulation der Temperatur des
Gewebes eines Individuums, das spektroskopisch zu untersuchen ist,
zur Verfügung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren das Anlegen einer erfindungsgemäßen Gewebemodulationsvorrichtung
an das Gewebe, das Hindurchführen
von Strom durch das Temperatursteuerungselement hindurch, um die
Temperatur des Gewebes zu erhöhen
oder abzusenken, und das Hindurchführen von elektromagnetischer
Strahlung durch das Fenster der Vorrichtung hindurch. Vorzugsweise
wird die spektroskopische Untersuchung durchgeführt, wenn die Temperatur des
Gewebes erhöht
oder abgesenkt worden ist und wenn die Temperatur des Gewebes nicht
erhöht
oder abgesenkt ist. Das Verfahren kann des weiteren das Sammeln
von vom Gewebe abgegebenen Ramanspektren umfassen. Die gesammelten
Ramanspektren können
dann analysiert werden, wobei die Analyse einen Vergleich der Spektren
umfasst, die in den unterschiedlichen Temperaturzuständen abgegeben
werden.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Überwachung von Phasenumwandlungen
und Zusammensetzungsveränderungen
und dadurch ein Verfahren zur Bestimmung des Lipidgehalts und der Lipididentität und des
Proteingehalts in dem Gewebe eines Individuums zur Verfügung. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Verfahren das Anlegen einer erfindungsgemäßen Gewebemodulationsvorrichtung
an dem Gewebe, das Hindurchführen von
Strom durch das Temperatursteuerungselement hindurch, um die Temperatur
des Gewebes zu erhöhen
oder abzusenken, und das Hindurchführen von elektromagnetischer
Strahlung durch das Fenster der Vorrichtung hindurch. Vorzugsweise
wird die spektroskopische Untersuchung durchgeführt, wenn die Temperatur des
Gewebes erhöht
oder abgesenkt worden ist und wenn die Temperatur des Gewebes nicht
erhöht
oder abgesenkt ist. Das Verfahren kann des weiteren das Sammeln
der von dem Gewebe abgegebenen Ramanspektren umfassen. Die gesammelten
Spektren werden dann analysiert, um den Lipidgehalt, die Lipididentität und/oder
die Proteinidentität
und den Proteingehalt des Gewebes zu bestimmen. Vorzugsweise umfasst
die Analyse die Bestimmung des Unterschieds der Anzahl der ramanverschobenen
Photonen, die vom Gewebe bei unterschiedlichen Temperaturen abgegeben
werden.
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BEISPIELE
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Die
nachfolgenden Beispiele werden angegeben, um die vorliegende Erfindung
zu veranschaulichen und um einem Durchschnittsfachmann dabei zu
helfen, diese zu machen und zu verwenden. Die Beispiele sollten
den Umfang der Erfindung ansonsten in keiner Weise einschränken.
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Beispiel 1: Bei der Temperaturmodulation
beobachtete Ramanverschiebung
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Dieses
Beispiel veranschaulicht die Ordnung-Unordnung-Umwandlung von Lipiden
mindestens 6 bis 30 Mikron unterhalb der Oberfläche der Haut unter ausschließlicher
Verwendung der thermischen Modulation. Die Ergebnisse zeigen, dass
die nichtinvasive in vivo Ramanspektroskopie verwendet werden kann,
um Informationen über
die Identität
und den Gehalt von Lipiden zu erhalten.
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Materialien & Methoden
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Eine
schematische Darstellung des optischen Aufbaus ist in 5 gezeigt.
Ein 785 nm CW Laser 500, der amplituden- und wellenlängenstabilisiert
ist und einen Außenresonator
aufweist (SDL XC-30; SDL Inc., San Jose, CA) erzeugt eine maximale
Gesamtenergie von 300 mW. Mehr als die Hälfte dieser Energie ist mit
einer großen,
spektral breiten und asymmetrischen Basis von verstärkten spontanen
Emissionen (ASE) verbunden. Dies ist ausreichend, um Ramanspektren
von einfachen, weniger schwierigen Proben, d.h. praktisch jeder
in vitro Probe, zu erhalten. Um akzeptable in vivo Spektren zu erhalten,
sollte jedoch eine beträchtliche
Menge der ASE entfernt werden. Dies wird unter Verwendung eines
holographischen Bandpassfilters 512 (Kaiser Optical Systems,
Ann Arbor, MI) getan. Während
dies nicht die gesamte störende
Hintergrundstrahlung entfernt, reicht es aus, damit in vivo Spektren
erhalten werden können.
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Optische
Bauelemente zum Korrigieren der Raumanordnung der schnellen und
langsamen Achsen der Laserdivergenz und für das Erzielen der optimalen
Polarisation für
die Beugungseffizienz und die Hintergrundverringerung bei dem f1,4
holographischen Spektrographen 538 (Holospec, Kaiser Optical Systems,
Ann Arbor, MI) gestatten es uns schließlich, nur etwa 50 mW der Laserenergie
zur Probe zu bringen. Alle optischen Bauteile sind für 785 nm
antireflexionsbeschichtet und eine Linse 526 mit einer
Brennweite von 13 cm wird verwendet, um das Licht schließlich auf
das fragliche Gewebe zu bringen. Ein Einfallswinkel von etwa 53' ergibt akzeptable
Ergebnisse. Bei dem Lichtsammelsystem werden zwei 50 mm f1,4 Nikon
Kameralinsen 530, 536, ein holographischer Kerbfilter 534 (Kaiser
Optical Systems, Ann Arbor, MI) und ein Polacor® (Corning)
Polarisator 532 verwendet, um das verstreute Licht von
der Probe zum Eingang des Spektrographen zu bringen. Das Erfassungssystem 540 ist
eine IR-verstärkte,
mit flüssigem
Stickstoff gekühlte
CCD-Anordnung von Princeton Instruments. Die Auflösung des
Spektrographensystems beträgt
6 cm–1 mit
einer Wellenzahlgenauigkeit von 6 cm–1 unter
Verwendung einer Kalibrierung, die auf bekannten Linien bei atomaren Emissionsspektren
basiert.
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Die
Proben bei allen Experimenten, über
die in diesem Beispiel berichtet wird, waren die fleischige Seite
der Fingerspitze von Menschen an der dem Fingernagel gegenüberliegenden
Seite. Im wesentlichen identische Ergebnisse wurden unter Verwendung
von irgendeinem der Finger und einer der Hände erhalten. Der Probenhalter 528 selbst,
den wir den Gewebemodulator (TM) genannt haben, ist wichtig, um
reproduzierbare Ergebnisse für
jede der beiden Arten von Experimenten, die in diesem Beispiel angegeben
sind, zu erhalten. Der TM kombiniert die elektromechanischen Elemente,
die für
die Durchführung
der Gewebemodulation erforderlich sind, mit einem Satz von fokussierenden
optischen Bauteilen, um das Erregungslicht zu der Probe zu bringen,
so dass während
des ganzen Verfahrens eine genaue optische Ausrichtung aufrechterhalten
werden kann.
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Der
bei diesem Beispiel verwendete TM weist eine Öffnung auf, gegen die die Fingerspitze platziert
wird, so dass das zu untersuchende Gewebe für das 785 nm Erregungslicht
durch die Öffnung
hindurch zugänglich
ist. Es gibt eine federbelastete Plungeranordnung, die in einer
zurückgezogenen Stellung
angeordnet werden kann, so dass sie keinen Druck gegen die Rückseite
des Fingers ausübt.
Alternativ kann der Plunger freigegeben werden, so dass ein gepolsterter,
komplementär
gestalteter Kolben gegen die Rückseite
und die Seitenflächen
des Fingers drückt,
wobei der Freiwillige dadurch beim Drücken der Fingerspitze gegen
die Öffnung
unterstützt wird.
Es wurde gefunden, dass jeglicher Unterschied in der absoluten Stellung
der Fingerfläche
in einer der Plungerstellungen vernachlässigbar und irrelevant war.
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Wenn
der Finger ohne irgendeinen Druck zwischen dem Finger und der Öffnung einfach
in den TM gelegt wird, befindet sich der Finger im nichtzusammenge drückten Zustand.
In diesem Zustand ist das Blutvolumen normal und die Strömungsmuster und
die Nettogeschwindigkeit in den und aus dem Bereich sind normal.
Wenn der Plunger freigegeben wird, und der Freiwillige seinen Finger
gegen die Öffnung
drückt,
wird der Blutfluss zu der 785 nm ausgesetzten Fingerspitze eingeschränkt und
bei einem Gleichgewicht wird der Blut- und Flüssigkeitsgehalt und möglicherweise
die chemische Natur, d.h. die Sättigung
mit Sauerstoff, dieser Fluida in dem Bereich innerhalb der Öffnung geändert. Der
Finger befindet sich dann in dem zusammengedrückten Zustand.
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Um
eine gute mechanische Druckmodulation zu erzielen, variiert der
damit verbundene Gesamtdruck etwas von Probe zu Probe, liegt jedoch
niemals höher
als etwa 1 Newton. Der TM besitzt einen eingebauten Anschlag, den
der Benutzer einstellen kann, um einen optimalen Druck innerhalb
eines akzeptablen Behaglichkeitsniveaus für den zusammengedrückten Zustand
zu erhalten. Wenn der Plunger zurückgezogen ist, legt das Individuum
seinen Finger so gegen die Öffnung,
dass es die Öffnung
gerade berührt
und hält
ihn bewegungslos, während
das Spektrum erhalten wird. Öffnungen
mit verschiedenen Größen und
Formen sind für
Finger unterschiedlicher Größe und unterschiedlicher
Arten der Gewebemodulation optimal. Für die vorliegenden Ergebnisse
wurde eine runde Öffnung
mit einem Durchmesser von 0,95 cm verwendet, und der durchschnittliche
Finger hatte einen Umfang von 5,3 cm.
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Eine
visuelle Untersuchung zeigt, dass es ungeachtet der Formen in dem
zusammengedrückten
Zustand immer einen bleichen, blutentleerten Bereich innerhalb eines
Millimeters genau benachbart der Stelle gibt, an der der Öffnungsrand
in physischem Kontakt mit der Hautoberfläche steht. Eine kreisförmig gestaltete Öffnung von
geeigneter Größe mit Bezug
auf die Größe der Fingerspitze
erzeugt so ebenfalls in dem zusammengedrückten Zustand einen kreisförmigen Bereich
innerhalb des blutentleerten Randbereichs, der noch etwas Blut enthält. Die Menge
an Blut innerhalb dieses Bereichs ist zu diesem Zeitpunkt nicht
genau bekannt, sollte jedoch aufgrund des angewandten Nettodrucks
etwas weniger sein. Gegenwärtig
ist es klar, dass es einen Gradienten des Blutvolumens zwischen
diesem inneren Bereich und dem äußeren blutentleerten
Bereich gibt.
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Eine
visuelle Untersuchung unter Verwendung eines In-line-Videosystems
mit Vergrößerung zeigt,
dass, wenn das System anfänglich
in dem nichtzusammengedrückten
Zustand ausgerichtet ist, das Licht in der Nähe des Mittelpunkts der Öff nung auftrifft.
Wenn in den zusammengedrückten
Zustand übergegangen
wird, d.h. der Freiwillige nur gegen die Öffnung des TM drückt, bewegt
sich der Punkt, an dem der Erregungslaser die Fingerspitze kontaktiert etwas,
was zu einem Auftreffen in dem blutentleerten Bereich führt.
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Die
Ergebnisse zeigen, dass das Bewegen und Ändern der Art, wie der Laser
die Fingerspitze kontaktiert, ohne den Druck zwischen der Fingerspitze
und der Öffnung
zu erhöhen,
nicht zu einem modulierten Spektrum führt. Deshalb steht der Laser
in dem zusammengedrückten
Zustand mit einem blutentleerten Zustand im Vergleich zu dem nichtzusammengedrückten Zustand
in Wechselwirkung.
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Ergebnisse
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Unter
den Testpersonen, die bei diesem Beispiel verwendet wurden, befinden
sich mehrere kaukasische Erwachsene unterschiedlicher Größe und unterschiedlichen
Gewichts und ein afroamerikanischer Mann und eine afroamerikanische
Frau. Alle Testpersonen waren zum Zeitpunkt ihrer Teilnahme in einem
guten Gesundheitszustand und mit Bezug auf die Lasererregung fühlte keiner
Schmerzen oder irgendeine Art von Unbehagen während oder nach dem Testen.
Die Ergebnisse für
die unterschiedlichen Testpersonen sind alle im wesentlichen identisch.
Die Experimente wurden unter Verwendung von mechanischem Druck und
Temperatur als gewebemodulierende Reize durchgeführt.
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Repräsentative
Ergebnisse, die von einer einzigen Testperson erhalten wurden, die
der Temperaturmodulation ausgesetzt wurde (kein aufgebrachter Fingerdruck)
sind in 6 bis 11 gezeigt.
Ramanspektren wurden über
einen Zeitraum von 6 Minuten aus der Fingerspitze der Testperson
bei Raumtemperatur und weitere 6 Minuten nach dem Kühlen gesammelt.
Die Fingerspitze wurde gekühlt,
indem sie einige Minuten in ein Glas mit Eiswasser gelegt wurde,
bis die Testperson die Kälte
nicht länger
aushalten konnte. 6 zeigt die Anzahl der ramanverschobenen
Photonen (Zählungen)
bei verschiedenen Wellenzahlen nach Subtraktion der Messungen, die in
dem kalten Zustand durchgeführt
wurden von denjenigen, die bei Raumtemperatur durchgeführt wurden.
Die bei etwa 1050 und gerade oberhalb von 1400 beobachteten Spitzen
entsprechen Spitzen, von denen bekannt ist, dass sie bei in vitro
Studien als Folge einer Temperaturverschiebung auftreten. Die genau
oberhalb von 1200 beobachtete Spitze liefern Informationen über Lipide, die
bei kühleren
Temperaturen erstarren, und auch über Proteine, die bei höheren Temperaturen
denaturiert sind.
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Ein
empirisches Baseline-Subtraktionsverfahren wurde bei der Analyse
verwendet. Jedes unbearbeitete Spektrum wurde einem Mittelwertsbildungsglättungsalgorithmus
für 101
benachbarte Punkte unterzogen. Jede geglättete Resultante wurde von
dem entsprechenden ursprünglichen
unbearbeiteten Spektrum subtrahiert und die Differenz wurde einem
Mittelwertbildungsglättungsalgorithmus
für 7 benachbarte
Punkte unterzogen. Während
die geglättete
Differenz der unbearbeiteten Spektren mit der Differenz zwischen
den geglätteten,
unbearbeiteten Spektren identisch war, wurde nur die geglättete Version
der Differenz bei der Analyse verwendet. Das Inbetrachtziehen von
nur der geglätteten
Version der Differenz zwischen den unbearbeiteten Spektren vermeidet
das Einführen
von Unterschieden zwischen potentiellen Artefakten, die durch die
empirische Baseline-Subtraktion
eingeführt
wurden.
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Andere
Baseline-Subtraktionsverfahren wurden verwendet, wie nichtlineare
kleinste Quadrate, um die Form der unbearbeiteten Kurven mit einer
logarithmisch normalen oder binomischen Verteilung und anderen Funktionen
zu approximieren. Unter Verwendung dieser Funktionen zur Durchführung des
gleichen Subtraktionsverfahrens sind die erhaltenen Ergebnisse mit
denjenigen, die in 6 gezeigt sind, widerspruchsfrei.
Die Anwendung des reinen, auf Glättung
basierenden Verfahrens auf ein Spektrum, das aus einer schmalen
Spitze auf einem simulierten Hintergrund besteht, zeigt eine wohlbekannte Tendenz
zur Einführung
kleiner negativer Durchhänge
auf beiden Seiten der wirklichen Spitze. Die Tiefe dieser Artefakte
hängt von
der relativen Größe des breiten
Hintergrunds und des schmalen Merkmals ab. Wenn dieses vorhersagbare
Verhalten als Vorbehalt gegeben ist, können die hier offenbarten Spektren
mit anderen in der Literatur verglichen werden. Eine weitere Strategie
ist die Durchführung
des Verfahrens unter Verwendung einer längeren Wellenlängenerregung,
wodurch eine weniger breitbandige Fluoreszenz induziert wird.
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7 zeigt
die gleichen Daten wie sie in 6 gezeigt
sind, jedoch in unbearbeiteter Form, wobei sie getrennte Kurven
für Zählungen
zeigt, die bei den 0 bis 2000 Wellenzahlen in dem kalten Zustand
(obere Kurve) und bei Raumtemperatur (untere Kurve) erhalten werden.
In 8 ist die x-Achse vergrößert, um den Unterschied zwischen
diesen beiden Kurven in der Nähe
von 1450 Wellenzahlen zu zeigen. 9 zeigt
den Unterschied in der Nähe
der 1100 Wellenzahlen. 10 zeigt Daten, wie sie in 6 gezeigt
sind, jedoch bei höheren
Wellenzahlen. Die Spitze bei etwa 2980 ist zu beachten. 11 zeigt
die gleichen Daten wie 10, jedoch in unbearbeiteter
Form, wobei sie getrennte Kurven für Zählungen zeigt, die bei höheren Wellenzahlen
erhalten wurden. Die Kurve, die die obere Kurve bei Wellenzahlen
nahe 2900 ist, stammt von dem kalten Zustand. Es ist zu beachten,
dass diese Daten in nur 17 Sekunden erhalten wurden, was auf die
Geschwindigkeit hinweist, mit der diese nichtinvasiven Messungen
beendet werden können.
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Beispiel 2: Tiefendiskriminierung
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Dieses
Beispiel beschreibt ein konfokales Vierlinsensystem, das zur Bestimmung
der Tiefe eines Signals verwendet wird, das durch das Gewebe, das
spekroskopisch untersucht wird, abgegeben wird. Die Bestimmung der
Tiefe einer Quelle von abgegebenem Licht gestattet die Identifizierung
der Gewebeart, beispielsweise Haut, Blut, und der Art des Lipids,
beispielsweise Lipid, Phospholipid, Sphingolipid.
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Eine
schematische Darstellung eines solchen konfokalen Vierlinsensystems
ist in 12 gezeigt. Licht wird von einer
Laserquelle (SDL-XC30) 1200 auf ein Periskop 1202,
dann durch eine 4 Meter Linse 1204, eine Halbwellenplatte 1206,
eine Irisblende 1208, einen Metall-/dielektrischen Filter 1210, einen
holograpischen Bandpassfilter 1212, ein zweites Periskop 1214,
eine zweite Halbwellenplatte 1216, eine zweite Irisblende 1218,
eine Reihe von drei Spiegeln 1220, 1222, 1224,
und eine Fokussierlinse 1226 hindurchgeführt, bevor
es an dem Gewebe ankommt, das sich in dem Probenhalter 1228 (Gewebemodulationsvorrichtung)
befindet. Von dem Gewebe abgegebenes Licht wird durch eine Kameralinse 1230 und
auf eine Membran 1232 geführt, die etwas von dem Licht
zu einer CCD-Bildgebungskamera 1236 leitet,
nachdem es durch eine Linse 1234 hindurchgeführt worden
ist. Das verbleibende Licht aus dem Gewebe wird durch eine zweite
Kameralinse 1238, eine konfokale Irisblende 1240,
eine dritte Kameralinse 1242, einen Polarisator 1244,
einen holographischen Kerbfilter 1246 und eine vierte Kameralinse 1248 hindurchgeführt, bevor
das Licht in den holographischen Spektrographen 1250 eintritt,
der eine Lichtsammeleffizienz von f = 1,4 aufweist und an den ein
CCD-Detektor 1252 gekoppelt ist.