EP2207472A1 - Device for measuring fluorescent radiation on biological substances with a semi-conductor sensor arrangement - Google Patents

Device for measuring fluorescent radiation on biological substances with a semi-conductor sensor arrangement

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Publication number
EP2207472A1
EP2207472A1 EP08837571A EP08837571A EP2207472A1 EP 2207472 A1 EP2207472 A1 EP 2207472A1 EP 08837571 A EP08837571 A EP 08837571A EP 08837571 A EP08837571 A EP 08837571A EP 2207472 A1 EP2207472 A1 EP 2207472A1
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EP
European Patent Office
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light
sensors
emission
fiber
evaluation unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08837571A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Hennig
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Ferton Holding SA
Original Assignee
Ferton Holding SA
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N2021/6484Optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring fluorescence radiation on biological substances according to the preamble of claim 1.
  • a device for measuring fluorescence radiation on biological substances is known, for example, from DE-A-42 00 741.
  • the document discloses an apparatus for detecting caries on teeth, comprising a lighting unit which emits radiation in the wavelength range from 360 to 580 nm to a tooth.
  • a filter transmits the fluorescence radiation returned by the tooth in a wavelength range greater than 620 nm. The transmitted radiation is evaluated for caries detection.
  • a further device for measuring fluorescence radiation in which a light source emits excitation radiation in a wavelength range between 600 and 670 nm to a tooth to be examined.
  • the fluorescence radiation excited on the tooth is recorded and evaluated in a wavelength range between 670 and 800 nm.
  • the hitherto known devices have the disadvantage that in the case of an examination in the range of different or modified biological substances, inaccurate results can occur.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a device of the type described above, are available in the more accurate measurement results in terms of change or deviations of the structure of biological substances.
  • Biological substances can be endogenous substances or prosthetic materials.
  • a receiving unit has a semiconductor sensor arrangement in which at least three sensors are arranged within a surface.
  • the at least three sensors detect the fluorescence radiation emitted by the biological substance in separate wavelength ranges.
  • the evaluation unit can store various data sets, preferably in the form of multidimensional, preferably three-dimensional measured values, wherein the evaluation unit compares the measured values measured with the data records and a result regarding the pathological infestation of examined biological substances and / or with respect to the type of biological Issues substances. Data sets of at least two different reference measurements on at least two different biological substances can be stored in the evaluation unit.
  • the evaluation unit In order for the evaluation unit to be able to output a result with regard to the type of biological substances examined, at least three reference measurements must be stored in the evaluation unit. The result is displayed by the display unit. Preferably, however, three or more reference measurements are provided on three or more different biological substances.
  • the emission and detection fibers can be both flexible light guides and rod lenses in an endoscope.
  • the at least one detection fiber may be arranged with the proximal end, preferably centrally over the semiconductor sensor arrangement at a distance from the surface of the semiconductor sensor array.
  • the invention has the advantage that the sensors used detect the fluorescent radiation excited on the biological substance, in particular on a biological tissue, in three separate wavelength ranges and an evaluation unit evaluates this.
  • ratios of the measurement signals of the individual sensors are used in order to be able to output a result with regard to the pathological attack of examined biological substances.
  • ratios of the measurement signals of the individual sensors can only map linear curves. Saved reference measurements can also describe non-linear waveforms and thus provide accurate information within a wide dynamic range.
  • More than two reference measurements allow to consider a wider range of different possible substances.
  • endogenous substances and prosthetic materials different optical signatures, such. the fluorescence spectra of the substances, which should be evaluated in some diagnostic issues the same.
  • the deposit of at least three reference datasets allows a differentiated, diagnostic statement about the type of substance being studied.
  • the device according to the invention can be used to detect bacterial infestation of teeth. Because of the variety of oral tissue types or tooth materials with different restorative materials, a diagnosis based on the analysis of three spectral regions is much more accurate and reliable.
  • the device according to the invention can also be used to fix especially malignant tumors in an endoscopic examination.
  • a photoactive substance preferably 5-aminolevulinic acid (5-ALA)
  • 5-ALA 5-aminolevulinic acid
  • the biological tissue fluoresces and the malignant cells stand out clearly from the healthy tissue.
  • Malignant cells mean cells of a malignant tumor. Due to the autofluorescence of the skin (autofluorescence), however, false results may occur. In an analysis based on three spectral ranges, this autofluorescence is detectable and discriminatable. In an analysis based on three spectral ranges, a diagnosis is possible even without prior introduction of photoactive substances.
  • the light cone emerging from the proximal end of the detection fiber illuminates the sensor area of the semiconductor sensor arrangement without interposing optical lenses.
  • the returned radiation does not have to be routed via separate optical fibers to different optical receivers, or has to be split by mirrors or other optical elements onto the optical receivers.
  • the light cone emerging from the proximal end of the detection fiber can illuminate the sensor surface without interposing optical lenses.
  • the detection fiber is fixed by means of a light guide holder centrally above the semiconductor sensor arrangement and at a predetermined distance from the surface of the semiconductor sensor arrangement, wherein the light guide holder is attached to the housing of the semiconductor sensor arrangement.
  • the three sensors can be sensors for radiations, which respectively lie in the wavelength ranges of the primary colors red, green and blue.
  • the three sensors can also be sensors for radiations, each lying in other wavelength ranges, i. H. in wavelength ranges of mixed colors.
  • the sensors can be arranged within a circular area and the respective base color can be assigned a circular area segment of 120 °.
  • This embodiment has the advantage that the returned radiation is uniformly distributed to the sensors, since the detection fiber is positioned centric to the semiconductor sensor array.
  • the three sensors are not limited to being arranged inside a circle but may be arranged arbitrarily with each other.
  • the sensor for radiations in the wavelength range of the primary color red has the highest sensitivity and is sensitive to at least 750 nm.
  • the sensors may consist of photoresistors, phototransistors, photodiodes and / or pyroelectric sensors.
  • the sensors can have different spectral sensitivities.
  • the sensors may also be made from color image sensors, e.g. CCD or CMOS exist.
  • An optical pre-filter for suppressing the excitation radiation can be arranged between the at least one detection fiber and the semiconductor sensor arrangement and fixed on the semiconductor sensor arrangement with the aid of an optically transparent potting compound.
  • the thickness of the optical pre-filter may be less than 2 mm.
  • the pre-filter may be a dielectric filter.
  • the semiconductor sensor arrangement may also be arranged on a circuit board which is screened with an electrically conductive layer, preferably of copper, against electromagnetic radiation.
  • Any layer that shields against electromagnetic radiation can be used.
  • It can be arranged between the receiving unit and the evaluation three separate amplifier for amplifying the respective signals of the sensors.
  • the light source used may be an LED chip. LEDs, in contrast to lasers, emit light in a wide opening angle. Usual LED chips mounted on a substrate radiate in all directions.
  • the transmission of light in an optical fiber is effected substantially without changing the aperture angle, that is, the light as it exits the optical fiber has the same aperture angle as at the entrance.
  • coupling is dispensed with optical lenses and a distance of less than 0.3 mm, preferably between the LED chip and the proximal end face of the emission fiber 0 mm, provided.
  • the LED chip and the proximal end face of the at least one emission fiber may be disposed a medium having a refractive index intermediate between that of the emission fiber and that of the surface of the LED chip.
  • the introduced into the space medium is optically transparent.
  • the proximal end surface of the emission fibers adjoining the light-emitting surface of the LED chip is smaller than the light-emitting surface of the LED chip and completely covered by the light-emitting surface of the LED chip.
  • the LED chip emits light in the UV range and / or in the adjacent visible range, preferably violet light in the wavelength range from 390 to 420 nm.
  • the radiation in this wavelength range can be particularly efficient in understanding the optical differences between healthy and visible light sources. uncover and infected teeth or malignant cells and healthy tissue.
  • the light source can emit periodically modulated light.
  • the excitation radiation can be modulated in its amplitude, wherein the frequency of the amplitude modulation is about 2 kHz.
  • three separate preamplifiers and / or at least one lock-in amplifier and / or at least one subtracter can be arranged.
  • the subtractor may be a hardware subtractor. This means that the circuit elements of the subtractor consist of concrete components, such. As resistors, capacitors or amplifiers.
  • the advantage of a hardware subtractor is that the dynamic range of the measurement is fully available independent of an offset.
  • the emission and the detection fibers can have an acceptance angle greater than 35 °.
  • the acceptance angle of the emission and detection fibers may be greater than 40 °, preferably greater than 45 °.
  • the substantially axial exit of the radiation from the respective light guide proved to be disadvantageous, since due to the substantially axial radiation exit sufficient irradiation of straight sections narrow cavities, e.g. Periodontal pockets, not possible. For this reason, additional optical elements are provided at the radiation exit end of the light guide in the hitherto known devices, which represent a significant manufacturing effort and significantly increase the overall diameter of the light guide.
  • the invention has the advantage that because of the large acceptance angle of the emission as well as the detection fibers bacterially infested sites or malignant cells in narrow cavities, such as. B. in periodontal pockets, are better detectable without additional optical elements.
  • the acceptance angle greater than 35 ° corresponds to an opening angle of at least 70 °.
  • the advantage of an acceptance angle of greater than 35 ° is that the bundle of emission and detection fibers of the present invention is suitable for irradiating also straight sections of narrow cavities without having to use additional optical elements.
  • the maximum intensity achieved on a flat surface which runs perpendicular to the light exit surface is substantially higher in the case of the emission and detection fibers according to the invention which have an acceptance angle greater than 35 ° than in conventional quartz glass optical fibers which are not wide-angle light guides.
  • the emission and detection fibers can be coated one or more times.
  • the entire distal end face of the emission and detection fibers can be coupled to the proximal end face of at least one light guide element, wherein the light guide element made of sapphire or a mineral material or plastic and can have an acceptance angle greater than 35 °.
  • the acceptance angle can also be greater than 40 °, preferably greater than 45 °.
  • the entire distal end face of the emission and detection fibers and the proximal end face of the light-guiding element can be pressed against one another with the aid of a spring force.
  • the fluorescence signals of the light-guiding element can also be detected by the different sensors of the semiconductor sensor arrangement. By comparing the measurement signals generated by the sensors with the reference data sets of different materials stored in the evaluation unit, the material of the at least one light-guiding element can additionally be identified.
  • the evaluation unit can output which material the light-guiding element consists of.
  • this software determines the sensitivity with which the measured values are evaluated.
  • the passing on of the information to the software has the advantage that the sensitivity of the measurement is adapted to the material of the light-guiding element. that can. This means that the sensitivity with which the measured values are evaluated can be adapted to the application.
  • the light-guiding element can be guided within an inspection probe, which has a shaft and a coupling part.
  • the inspection probe may be connected to a handpiece and the junction between the entire distal end face of the emission and detection fibers and the proximal end face of the light guide member may be within the handpiece.
  • the light source can also be located inside the handpiece.
  • the light-guiding element can be rigid or flexible.
  • the light-guiding element can guide the excitation radiation emitted by the light source via the emission fibers to the biological substance and also the fluorescence radiation emanating from the biological substance.
  • the light-guiding element may consist of a single optical fiber or of a plurality of optical fibers, i. consist of a fiber optic bundle.
  • the total diameter of the individual optical fiber or the total diameter of the optical fiber bundle may be greater than or equal to the total diameter of emission and detection fibers.
  • the emission and detection fibers may be directly, i. without interposition of a light-guiding element, up to the biological substance z. B. be performed in an endoscope.
  • the emission and detection fibers can also be guided at the distal end within an inspection probe with shaft and coupling part.
  • the shaft can be rigid or flexible. It can also be flexible or bent.
  • the shaft may be formed as a protective tube.
  • the two aforementioned embodiments with inspection probe facilitate handling, since the bundle of emission and detection fibers or the light guide due to the curved shaft easily in z. B. periodontal pockets can be introduced.
  • the emission and detection fibers may terminate with the distal end of the shaft or protrude a maximum of about 5 cm from the shaft.
  • the proximal end of the inspection probe can be connected to a handpiece, wherein the emission and detection fibers can be guided within the handpiece.
  • the light source may be disposed within the handpiece.
  • the length of the emission fiber or the total length of the emission fiber and the light-guiding element is less than 60 cm, preferably less than 10 cm.
  • 3 shows a block diagram of the device with receiving unit, amplifier, subtractor, evaluation unit and display
  • 4 shows a representation in which the light source is an LED chip
  • FIG. 5 is a schematic block diagram in which the light source is arranged in the handpiece
  • FIG. 7b shows a quartz glass light guide, which is not a wide-angle light guide, and whose axis is aligned parallel to a flat surface
  • FIG. 8 is a representation with light distribution on the flat surface of Fig. 2a and Fig. 2b,
  • Fig. 9 is an illustration showing the relationship between attenuation of the illuminance and length of the light guide.
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of a device according to the invention for use in the dental field.
  • Excitation radiation from the light source 18 is coupled into a bundle of emission fibers 14 and transported by this to a tooth 1.
  • the emission fibers 14 are guided together with detection fibers 16 in an optical fiber cable 12.
  • the fiber optic cable 12 is coupled to a handpiece 10 at the distal end.
  • the emission fibers 14 and the detection fibers 16 are guided in the handpiece 10 and in an inspection probe 2.
  • the inspection probe 2 consists of a coupling part 6 and a shaft 4.
  • the proximal end of the coupling part 6 can be connected to the distal end of the handpiece 10.
  • the shaft 4 may preferably be made of metal or plastic.
  • the fluorescence radiation excited at the tooth 1 by the excitation radiation is transported via detection fibers 16 to a receiving unit 20.
  • the emission and detection fibers 14, 16 preferably terminate at the distal end 8 with the distal end of the shaft 4. At most, the emission and detection fibers 14, 16 protrude by approximately 5 cm from the second shaft.
  • the fluorescence radiation is detected in three separate wavelength ranges and converted into three electrical signals. These are supplied via separate preamplifier 22, a lock-in amplifier 24. By means of the lock-in amplifier 24 downstream subtractor 26 background signals can be subtracted. Background signals are produced by reflection of the excitation radiation at the distal end 8 of the emission and detection fibers 14, 16 and by a slight intrinsic fluorescence of the optical fibers and the adhesives used.
  • this signal is directly proportional to the excitation radiation. If the excitation radiation is kept constant, the result is a constant offset signal.
  • This background signal is measured during the switch-on routine of the measuring device and eliminated in the subtracter 26 before the evaluation.
  • a memory 27 in which three-dimensional measured values of healthy tooth material, diseased tooth material and artificial filling material are stored. Three-dimensional means that for each measured value, the radiation intensities in three spectral ranges z. B. in the spectral regions of the primary colors red, green, blue are measured. The currently measured three-dimensional measured value is compared with the stored comparative measured values and the distances to the closest comparative measured value of healthy dental material and / or artificial filling material and diseased dental material are determined.
  • the ratio of the distance between the currently measured value and the closest comparative measured value of healthy dental material or artificial filling material and the distance between the currently measured value and the closest comparative measured value of diseased dental material is displayed in the form of values on a display unit 29. The user knows that if this value is smaller than a certain value, the examined tooth area is free from bacterial residues.
  • a device according to the invention for detecting particularly malignant tumors looks similar to the device described in connection with FIG. One difference is that no handpiece 10 and no inspection probe 2 are used.
  • the optical fiber cable 12 is coupled to an endoscope at the distal end.
  • the emission and detection fibers 14, 16 are guided inside the endoscope and close at the distal end from the distal end of the endoscope or over a maximum of about 5 cm from the distal end of the endoscope over.
  • the endoscope can be introduced into the human body, for example, for the examination of the bladder or for the examination of other body cavities.
  • FIG. 2 shows a bundle of detection fibers 16, which are positioned centrally via a semiconductor sensor arrangement 62 according to the invention and at a defined distance from the surface of the semiconductor sensor arrangement 62 with the aid of a light conductor holder 68.
  • the optical fiber holder 68 which is not shown here, attached to the housing of the semiconductor sensor assembly 62.
  • the semiconductor sensor arrangement 62 has three sensors, which are arranged within a circle, which detect the fluorescence radiation excited at the tooth via the emission fibers 14 in three separate wavelength ranges and convert them into three electrical signals.
  • the three sensors are sensors for the primary colors red, green and blue.
  • the respective primary color is assigned a circle segment of 120 °.
  • the distance between the end face of the detection fibers 16 and the surface of the semiconductor sensor array 62 ensures complete illumination of the three sensors.
  • the distance between the end surface of the detection fibers 16 and the surface of the semiconductor sensor array 62 may be less than 2 mm when using wide-angle light guides.
  • a prefilter 64 for suppressing the excitation radiation can be arranged.
  • the pre-filter 64 is fixed on the semiconductor sensor assembly 62 by means of an optically transparent potting compound.
  • Fig. 3 shows a block diagram of the device according to the invention.
  • the detection fibers 16 which guide the radiation returned by the tooth are positioned centrally via a semiconductor sensor arrangement 62 at a defined distance from the surface of the semiconductor sensor arrangement 62.
  • the semiconductor sensor arrangement 62 has three sensors arranged within a circle, which detect the fluorescence radiation excited on the tooth or in the periodontal pocket via the emission fibers 14 in three separate wavelength ranges and convert them into three electrical signals. These are, as also shown in FIG. 1, fed via separate preamplifiers 22, a lock-in amplifier 24 and a subtracter 26 to an evaluation unit 28. There, the measured values are compared with comparison measured values stored in a memory 27 and a value is output which can be displayed on a display 29. If the value is above a certain value, it means that the tooth has bacterial infestation.
  • FIG. 4 shows an LED chip 40, which is coupled opposite to the emission fibers 14. That is, less than 0.3 mm, preferably 0 mm, spacing remains between the LED chip surface and the proximal end face of the emission fibers 14.
  • the transparent medium z. B. a curable plastic
  • the emission fibers are mechanically fixed to the LED chip 40 and optically coupled.
  • the LED chip 40 is mounted by means of an electrically conductive adhesive 46 on a monitor diode chip 50 and electrically contacted.
  • the monitor diode 50 supplies a measured variable proportional to the optical output line of the LED chip 40. From an electrical contact point 48, a bonding wire 44 is connected to an insulated electrical connection pin 54 guided in the base 52. The monitor diode 50 has a second electrical contact, which is guided as Gesimousepin 56 to the outside. The LED chip 40 also has a second electrical connection. This connection is made via a bonding wire 42, which is connected to an isolated in the base 52 outboard electrical connection pin 58.
  • the structure of FIG. 4 can also be executed without a monitor diode 50.
  • the electrical contact point 48 and the bonding wire 44 with the isolated in the socket pin 54 would be omitted.
  • the light source is arranged inside the handpiece 10.
  • the emission fibers 14 and detection fibers 16 are brought together at the distal end of the handpiece 10.
  • an inspection probe with shaft and coupling part connects, in which the emission 14 and Detektionsfasem 15 are guided.
  • the emission and detection fibers terminate with the distal end of the shaft.
  • the fluorescence radiation excited at the tooth 1 is transmitted from the tooth 1 via the detection fibers 16 to a receiving unit 20 located in the device 17.
  • the detection fibers 16 are guided from the proximal handpiece 10 to the receiving unit 20 in the optical fiber cable 13.
  • the light source of Fig. 4 is used.
  • FIG. 6 shows a block diagram which is very similar to that of FIG. 5, with the difference that the end face of the bundle of emission and detection fibers is coupled to the end face of a light-guiding element 9.
  • the light guide 9 is guided within a centering device 15 and projects at the proximal end of the centering device 15 out of this.
  • the centering device 15 and thus the light-guiding element 9 are pressed against each other with the bundle of emission and detection fibers 14, 16 within a plug-in and coupling element 11 by a spring.
  • a plug and coupling element 11 may be a commercially available ST plug, which has a bayonet holder.
  • the plug-in and coupling element 11 is located within a handpiece 10.
  • the light-guiding element 9 is pushed back by the length projecting beyond the proximal end of the centering device 11 into the first coupling part 7.
  • the light-guiding element 9 Since the light-guiding element 9 is fixed or glued within the shaft 4 and / or the distal end of the coupling part 6, the light-guiding element 9, which in this case is a flexible plastic optical fiber, bends inside the coupling part 6.
  • the light-guiding element 9 stands by the bend under tension, which causes the light-guiding element 9 to be pressed permanently against the bundle of emission and detection fibers 14, 16. This ensures a good coupling of the radiation from the bundle of emission and Detektionsfasem 14, 16 in the light guide 9 and vice versa.
  • the excitation radiation from the emission fiber 14 is coupled into the light guide element 9.
  • the light-guiding element 9 is guided inside an inspection probe 2.
  • the inspection probe 2 consists of a shaft 4 and a coupling part 6.
  • the light-guiding element 9 can terminate at the distal end with the distal end of the shaft 4 or protrude distally therefrom, wherein it protrudes a maximum of 30 mm from the first shaft 5.
  • the light exiting distally from the light-guiding element 9 illuminates the tooth section to be examined.
  • the light returned by the illuminated tooth section is picked up by the distal end of the light-guiding element 9 and guided via the detection fibers 16 to a receiving unit 20.
  • the light guide 9 may also consist of sapphire or other mineral materials.
  • the connection between the light-guiding element 9 and the bundle of emission and detection fibers 14, 16 can also take place without bending the light-conducting element 9, in particular if the light-guiding element 9 is rigid.
  • the light-guiding element 9 and the bundle of emission and detection fibers 14, 16 can have a crowned end face in order to enable a better coupling of the light.
  • the light guide may consist of several optical fibers, d. H. the light guide consists of an optical fiber bundle. These light guides may each have a diameter of about 30 microns. These optical fibers may also consist of sapphire or other mineral materials or plastics.
  • the fluorescence signals of the light-guiding element 9 can be detected by the receiving unit 20. These latter fluorescence signals are then also converted into electrical signals. These are fed to the evaluation unit 28 via separate preamplifiers 22, a lock-in amplifier 24 and a subtractor 26.
  • the memory 27 which is located within the evaluation unit 28, three-dimensional measured values of the materials of various possible light-guiding elements 9 can additionally be located. The measured fluorescence signals of the light-guiding element 9 can be compared with the stored measured values. In this way it can be determined from which material the light-guiding element 9 is made. The sensitivity of the measurement can be adapted to the material of the light-guiding element.
  • An inventive device for detecting, in particular malignant, tumors looks similar to that described in connection with FIGS. 5 and 6 written out devices. One difference is that no inspection probe 2 is used.
  • an endoscope is coupled to the distal end of the handpiece 10.
  • the emissive and detection fibers 14, 16 are guided within the endoscope and terminate at the distal end with the distal end of the endoscope or protrude more than 5 cm from the distal end of the endoscope.
  • the endoscope is insertable into the human body for examining body cavities.
  • FIGS. Figs. 7a and 7b show a cone of light of a lightguide representing a wide angle light guide and, in comparison, the light cone of a conventional silica glass waveguide which is not a wide angle light guide.
  • the central axis 34, 36 of the two light guides are at a distance of 300 microns parallel to a flat surface 30.
  • the diameters of the optical fibers are each 210 microns.
  • the wide-angle optical fiber emits the light with an opening angle of 120 °, which corresponds to an acceptance angle of 60 °.
  • the conventional quartz glass optical fiber, which is not a wide-angle optical fiber, has an opening angle of 25 °.
  • the light intensities on the flat surface 30 are highest in the areas where the lines 35 and 37 meet the flat surface 30.
  • Glass waveguides having an acceptance angle greater than 35 °, preferably greater than 40 °, are preferably used as the wide-angle optical fiber.
  • wide-angle plastic optical fibers preferably polystyrene.
  • Fig. 8 shows the light distributions on the flat surface 30 of Fig. 7a and Fig. 7b.
  • the light exit surface ie the free end of the optical fibers, is located on the abscissa at the value 0.
  • the white dots represent the light intensity distribution for conventional quartz glass optical fibers with an aperture angle of 25 °
  • the black squares represent the light intensity distribution for wide-angle optical fibers with an aperture angle of 120 °. Significant differences between the two curves can be seen.
  • An opening angle of only 25 ° leads to a flat curve.
  • the maximum light intensity achieved on the flat surface 30 has approximately a distance between 1.5 mm and 2 mm from the light exit surface of the light guide end at an opening angle of 25 °.
  • the maximum achieved on the flat surface 30 Light intensity a distance of only about 0.3 mm from the optical fiber end.
  • the maximum intensity achieved on the flat surface is more than five times higher in the case of the wide-angle optical fiber used in a device according to the invention compared to the maximum intensity of a conventional quartz glass optical fiber, which is not a wide-angle optical fiber. This means that much more accurate measured values can be determined, since the signal-to-noise ratio is significantly better.
  • the examined surface section is significantly shorter and better illuminated than with conventional quartz glass optical waveguides which are not wide-angle light guides.
  • the ratio of bacterially contaminated area to area under investigation has a direct influence on the measured values, ie, if the bacterially contaminated area is small compared to the surface area under investigation, the contamination is difficult because of the small percentage of contaminated area to the total area surveyed read from the measured values. Small impurities can therefore easily be overlooked when using conventional quartz glass optical fibers having a large surface area under inspection and low illumination, as shown in FIG. 8.
  • the ratio of contaminated surface to surface area examined in terms of percentage is more favorable, so that contaminated surfaces are clearly and accurately detectable. For this reason, the tooth sections to be examined, in particular in narrow cavities, can be examined more precisely with a wide-angle light guide according to the invention.
  • FIG. 9 shows the illuminance at the end of different light guides relative to the illuminance at the entrance of the light guides as a function of their length.
  • the relative illuminance was calculated according to the following formula:
  • NA numerical aperture a: attenuation of the optical fiber in dB / m
  • L length of the light guide in m
  • the open circles refer to a wide-angle optical fiber with an opening angle of 120 °. This wide-angle optical fiber has an attenuation of about 17 dB / m in the range of 400 nm.
  • the black dots refer to a quartz glass fiber with an opening angle of 25 °. This quartz glass optical fiber has an attenuation of about 0.1 dB / m in the range of 400 nm.
  • optical fibers especially in the case of wide-angle light guides, lead to a weakening of the light available at the exit surface in the short-wave spectral range around 390-420 nm, which is interesting for fluorescence excitation.
  • the optical fiber should, in order to avoid this attenuation, have a length of less than 60 cm, preferably less than 10 cm, when using a wide-angle optical fiber.
  • quartz glass fiber optics which are not wide-angle light guides, an approximately 10 times higher illuminance could be achieved.

Abstract

The invention relates to a device for measuring fluorescent radiation emitted by biological substances, comprising a light source (18), a capturing unit (20), an evaluation unit (28) that is coupled to the capturing unit (20), at least one emission fibre (14) that is coupled to the light source (18), and at least one detection fibre (16) that is coupled to the capturing unit (20). Said emission fibre (14) guides excitation radiation to the biological substrate and the detection fibre (16) receives fluorescent radiation excited on the biological substance and guides it to the evaluation unit (28). According to the invention, the capturing unit (20) comprises a semi-conductor sensor arrangement (62) in which at least three sensors that are arranged inside a surface and that detect fluorescent radiation emitted by the biological substance in wave length areas that are separate from each other, are arranged. Data sets of at least two different reference measurements on at least two different biological substances are stored in the evaluation unit (28) that compares the measured measurement values to the stored data sets and issues a result relating to the pathological attacks of the examined biological substances and/or relating to the type of examined, biological substances.

Description

Vorrichtung zur Messung von Fluoreszenzstrahlunq an biologischen Sub- stanzen mit einer Halbleitersensorenanordnunq Device for measuring fluorescence radiation on biological substances with a semiconductor sensor arrangement
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Fluoreszenzstrahlung an biologischen Substanzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for measuring fluorescence radiation on biological substances according to the preamble of claim 1.
Eine Vorrichtung zum Messen von Fluoreszenzstrahlung an biologischen Substanzen ist beispielsweise aus der DE-A-42 00 741 bekannt. Das Dokument offenbart eine Vorrichtung zum Erkennen von Karies an Zähnen, mit einer Beleuchtungseinheit, die Strahlung im Wellenlängenbereich von 360 bis 580 nm auf einen Zahn aussendet. Ein Filter lässt die vom Zahn zurückgesandte Fluoreszenzstrahlung in einem Wellenlängenbereich größer als 620 nm durch. Die durchgelassene Strahlung wird zur Karieserkennung ausgewertet.A device for measuring fluorescence radiation on biological substances is known, for example, from DE-A-42 00 741. The document discloses an apparatus for detecting caries on teeth, comprising a lighting unit which emits radiation in the wavelength range from 360 to 580 nm to a tooth. A filter transmits the fluorescence radiation returned by the tooth in a wavelength range greater than 620 nm. The transmitted radiation is evaluated for caries detection.
Aus der DE-A-195 41 686 ist eine weitere Vorrichtung zum Messen von Fluoreszenzstrahlung bekannt, bei der eine Lichtquelle Anregungsstrahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 600 und 670 nm auf einen zu untersuchenden Zahn aussendet. Die am Zahn angeregte Fluoreszenzstrahlung wird in einem Wellenlängenbereich zwischen 670 und 800 nm erfasst und ausgewertet.From DE-A-195 41 686 a further device for measuring fluorescence radiation is known in which a light source emits excitation radiation in a wavelength range between 600 and 670 nm to a tooth to be examined. The fluorescence radiation excited on the tooth is recorded and evaluated in a wavelength range between 670 and 800 nm.
Die bisher bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, dass es bei einer Untersuchung im Bereich unterschiedlicher oder veränderter biologischer Substanzen zu ungenauen Ergebnissen kommen kann. Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, bei der exaktere Messergebnisse hinsichtlich der Veränderung oder Abweichungen der Struktur biologischer Substanzen erhältlich sind. Biologische Substanzen können körpereigene Substanzen oder prothetische Werkstoffe sein.The hitherto known devices have the disadvantage that in the case of an examination in the range of different or modified biological substances, inaccurate results can occur. The invention is therefore an object of the invention to provide a device of the type described above, are available in the more accurate measurement results in terms of change or deviations of the structure of biological substances. Biological substances can be endogenous substances or prosthetic materials.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des Anspruchs 1.To solve this problem serve the features of claim 1.
Die Erfindung sieht in vorteilhafter Weise vor, dass bei einer Vorrichtung der einleitend beschriebenen Art eine Empfangseinheit eine Halbleitersensorenanordnung aufweist, in der mindestens drei Sensoren innerhalb einer Fläche angeordnet sind. Die mindestens drei Sensoren erfassen die an der biologischen Substanz emittierte Fluoreszenzstrahlung in voneinander getrennten Wellenlängenbereichen. In der Auswerteeinheit können verschiedene Datensätze, vorzugsweise in Form von mehrdimensionalen, vorzugsweise dreidimensionalen Messwerten, gespeichert sein, wobei die Auswerteeinheit die gemessenen Messwerte mit den Datensätzen vergleicht und ein Ergebnis hinsichtlich des krankhaften Befalls untersuchter biologischer Substanzen und/oder hinsichtlich der Art der untersuchten, biologischen Substanzen ausgibt. Es können Datensätze von mindestens zwei unterschiedlichen Referenzmessungen an mindestens zwei unterschiedlichen biologischen Substanzen in der Auswerteeinheit gespeichert sein. Damit die Auswerteeinheit ein Ergebnis hinsichtlich der Art der untersuchten, biologischen Substanzen ausgeben kann, müssen mindestens drei Referenzmessungen in der Auswerteeinheit gespeichert sein. Das Ergebnis wird von der Anzeigeeinheit angezeigt. Vorzugsweise sind allerdings drei oder mehr Referenzmessungen an drei oder mehr unterschiedlichen biologischen Substanzen vorgesehen.The invention advantageously provides that, in a device of the type described in the introduction, a receiving unit has a semiconductor sensor arrangement in which at least three sensors are arranged within a surface. The at least three sensors detect the fluorescence radiation emitted by the biological substance in separate wavelength ranges. The evaluation unit can store various data sets, preferably in the form of multidimensional, preferably three-dimensional measured values, wherein the evaluation unit compares the measured values measured with the data records and a result regarding the pathological infestation of examined biological substances and / or with respect to the type of biological Issues substances. Data sets of at least two different reference measurements on at least two different biological substances can be stored in the evaluation unit. In order for the evaluation unit to be able to output a result with regard to the type of biological substances examined, at least three reference measurements must be stored in the evaluation unit. The result is displayed by the display unit. Preferably, however, three or more reference measurements are provided on three or more different biological substances.
Die Emissions- und Detektionsfasern können sowohl flexible Lichtleiter als auch Stablinsen in einem Endoskop sein.The emission and detection fibers can be both flexible light guides and rod lenses in an endoscope.
Die mindestens eine Detektionsfaser kann mit dem proximalen Ende vorzugsweise zentrisch über der Halbleitersensorenanordnung in einem Abstand zur Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung angeordnet sein. Die Erfindung hat den Vorteil, dass die verwendeten Sensoren die an der biologischen Substanz, insbesondere an einem biologischen Gewebe, angeregte Fluoreszenzstrahlung in drei voneinander getrennten Wellenlängenbereichen erfassen und eine Auswerteeinheit diese auswertet.The at least one detection fiber may be arranged with the proximal end, preferably centrally over the semiconductor sensor arrangement at a distance from the surface of the semiconductor sensor array. The invention has the advantage that the sensors used detect the fluorescent radiation excited on the biological substance, in particular on a biological tissue, in three separate wavelength ranges and an evaluation unit evaluates this.
Im bisherigen Stand der Technik werden Verhältnisse der Messsignale der einzelnen Sensoren verwendet um ein Ergebnis hinsichtlich des krankhaften Befalls untersuchter biologischer Substanzen ausgeben zu können. Verhältnisse der Messsignale der einzelnen Sensoren können jedoch nur lineare Kurvenverläufe abbilden. Gespeicherte Referenzmessungen können auch nichtlineare Kurvenverläufe beschreiben und somit innerhalb eines großen Dynamikbereichs exakte Aussagen liefern.In the prior art, ratios of the measurement signals of the individual sensors are used in order to be able to output a result with regard to the pathological attack of examined biological substances. However, ratios of the measurement signals of the individual sensors can only map linear curves. Saved reference measurements can also describe non-linear waveforms and thus provide accurate information within a wide dynamic range.
Mehr als zwei Referenzmessungen erlauben es ein breiteres Spektrum verschiedener möglicher Substanzen zu berücksichtigen. So haben z.B. körpereigene Substanzen und prothetische Werkstoffe unterschiedliche, optische Signaturen, wie z.B. die Fluoreszenzspektren der Substanzen, die jedoch bei manchen diagnostischen Fragestellungen gleich bewertet werden sollen.More than two reference measurements allow to consider a wider range of different possible substances. Thus, e.g. endogenous substances and prosthetic materials different optical signatures, such. the fluorescence spectra of the substances, which should be evaluated in some diagnostic issues the same.
Die Hinterlegung von mindestens drei Referenzdatensätzen erlaubt eine differenzierte, diagnostische Aussage über die Art der untersuchten Substanz.The deposit of at least three reference datasets allows a differentiated, diagnostic statement about the type of substance being studied.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Erkennen von bakteriellem Befall an Zähnen verwendet werden. Aufgrund der Vielzahl der im Mund vorkommenden Gewebearten oder Zahnmaterialien mit unterschiedlichen Füllungsmaterialien ist eine Diagnose, die sich auf die Analyse von drei Spektralbereichen stützt, wesentlich genauer und zuverlässiger.The device according to the invention can be used to detect bacterial infestation of teeth. Because of the variety of oral tissue types or tooth materials with different restorative materials, a diagnosis based on the analysis of three spectral regions is much more accurate and reliable.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zum Festellen von insbesondere bösartigen Tumoren bei einer endoskopischen Untersuchung verwendet werden. Dazu wird eine photoaktive Substanz, vorzugsweise 5-Aminolävulinsäure (5- ALA), in das zu untersuchende biologische Gewebe eingebracht. Durch eine Anregungsstrahlung angeregt, fluoresziert das biologische Gewebe und die malignen Zellen heben sich deutlich von dem gesunden Gewebe ab. Maligne Zellen bedeuten Zellen eines bösartigen Tumors. Aufgrund der Eigenfluoreszenz der Haut (Autofluoreszenz) kann es jedoch zu falschen Ergebnissen kommen. Bei einer Analyse, die sich auf drei Spektralbereiche stützt, ist diese Autofluoreszenz erkennbar und diskriminierbar. Bei einer Analyse, die sich auf drei Spektralbereiche stützt, ist sogar ohne vorheriges Einbringen photoaktiver Substanzen eine Diagnose möglich.The device according to the invention can also be used to fix especially malignant tumors in an endoscopic examination. For this purpose, a photoactive substance, preferably 5-aminolevulinic acid (5-ALA), is introduced into the biological tissue to be examined. Stimulated by an excitation radiation, the biological tissue fluoresces and the malignant cells stand out clearly from the healthy tissue. Malignant cells mean cells of a malignant tumor. Due to the autofluorescence of the skin (autofluorescence), however, false results may occur. In an analysis based on three spectral ranges, this autofluorescence is detectable and discriminatable. In an analysis based on three spectral ranges, a diagnosis is possible even without prior introduction of photoactive substances.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass der aus dem proximalen Ende der Detektionsfaser austretende Lichtkegel ohne Zwischenschalten optischer Linsen die Sensorfläche der Halbleitersensorenanordnung ausleuchtet.In the device according to the invention it can be provided that the light cone emerging from the proximal end of the detection fiber illuminates the sensor area of the semiconductor sensor arrangement without interposing optical lenses.
Dies hat gegenüber dem bisherigen Stand der Technik den Vorteil, dass die zurückgesandte Strahlung nicht über getrennte Lichtleiter zu verschiedenen optischen Empfängern geführt werden muss, oder über Spiegel oder andere optische Elemente auf die optischen Empfänger aufgeteilt werden muss. Der Lichtkegel, der aus dem proximalen Ende der Detektionsfaser austritt, kann die Sensorfläche ohne Zwischenschalten optischer Linsen ausleuchten.This has the advantage over the prior art that the returned radiation does not have to be routed via separate optical fibers to different optical receivers, or has to be split by mirrors or other optical elements onto the optical receivers. The light cone emerging from the proximal end of the detection fiber can illuminate the sensor surface without interposing optical lenses.
Die Detektionsfaser ist mit Hilfe einer Lichtleiterhalterung zentrisch über der Halbleitersensorenanordnung und in einem vorgegebenen Abstand zur Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung fixiert, wobei die Lichtleiterhalterung an dem Gehäuse der Halbleitersensorenanordnung befestigt ist.The detection fiber is fixed by means of a light guide holder centrally above the semiconductor sensor arrangement and at a predetermined distance from the surface of the semiconductor sensor arrangement, wherein the light guide holder is attached to the housing of the semiconductor sensor arrangement.
Die drei Sensoren können Sensoren für Strahlungen sein, die jeweils in den Wellenlängenbereichen der Grundfarben Rot, Grün und Blau liegen. Die drei Sensoren können auch Sensoren für Strahlungen sein, die jeweils in anderen Wellenlängenbereichen liegen, d. h. in Wellenlängenbereichen der Mischfarben.The three sensors can be sensors for radiations, which respectively lie in the wavelength ranges of the primary colors red, green and blue. The three sensors can also be sensors for radiations, each lying in other wavelength ranges, i. H. in wavelength ranges of mixed colors.
Die Sensoren können innerhalb einer Kreisfläche angeordnet sein und der jeweiligen Grundfarbe kann ein Kreisflächensegment von 120° zugeordnet sein.The sensors can be arranged within a circular area and the respective base color can be assigned a circular area segment of 120 °.
Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass die zurückgesandte Strahlung gleichmäßig auf die Sensoren verteilt wird, da die Detektionsfaser zentrisch zu der Halbleitersensorenanordnung positioniert ist. Die drei Sensoren sind jedoch nicht darauf beschränkt, innerhalb eines Kreises angeordnet zu sein, sondern können auch beliebig zueinander angeordnet sein.This embodiment has the advantage that the returned radiation is uniformly distributed to the sensors, since the detection fiber is positioned centric to the semiconductor sensor array. However, the three sensors are not limited to being arranged inside a circle but may be arranged arbitrarily with each other.
Der Sensor für Strahlungen in dem Wellenlängenbereich der Grundfarbe Rot besitzt die höchste Sensitivität und ist bis mindestens 750 nm empfindlich.The sensor for radiations in the wavelength range of the primary color red has the highest sensitivity and is sensitive to at least 750 nm.
Dies hat den Vorteil, dass die im Vergleich zur grünen Fluoreszenz schwache Rot- Fluoreszenz verstärkt wird und dadurch ein elektrisches Übersprechen verringert wird.This has the advantage that the weak compared to the green fluorescence red fluorescence is amplified, thereby reducing electrical crosstalk is reduced.
Die Sensoren können aus Fotowiderständen, Fototransistoren, Fotodioden und/oder pyroelektrischen Sensoren bestehen. Die Sensoren können unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen. Die Sensoren können auch aus Farbbildsensoren, z.B. CCD oder CMOS bestehen.The sensors may consist of photoresistors, phototransistors, photodiodes and / or pyroelectric sensors. The sensors can have different spectral sensitivities. The sensors may also be made from color image sensors, e.g. CCD or CMOS exist.
Ein optischer Vorfilter zur Unterdrückung der Anregungsstrahlung kann zwischen der mindestens einen Detektionsfaser und der Halbleitersensorenanordnung angeordnet sein und auf der Halbleitersensorenanordnung mit Hilfe einer optisch transparenten Vergussmasse fixiert sein.An optical pre-filter for suppressing the excitation radiation can be arranged between the at least one detection fiber and the semiconductor sensor arrangement and fixed on the semiconductor sensor arrangement with the aid of an optically transparent potting compound.
Die Dicke des optischen Vorfilters kann weniger als 2 mm betragen. Der Vorfilter kann ein dielektrischer Filter sein.The thickness of the optical pre-filter may be less than 2 mm. The pre-filter may be a dielectric filter.
Auch kann die Halbleitersensorenanordnung auf einer Platine angeordnet sein, die mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, vorzugsweise aus Kupfer gegen elektromagnetische Strahlung abgeschirmt ist.The semiconductor sensor arrangement may also be arranged on a circuit board which is screened with an electrically conductive layer, preferably of copper, against electromagnetic radiation.
Es kann jede beliebige Schicht verwendet werden, die gegen elektromagnetische Strahlung abschirmt.Any layer that shields against electromagnetic radiation can be used.
Es können zwischen der Empfangseinheit und der Auswerteeinheit drei separate Verstärker zur Verstärkung der jeweiligen Signale der Sensoren angeordnet sein.It can be arranged between the receiving unit and the evaluation three separate amplifier for amplifying the respective signals of the sensors.
Die verwendete Lichtquelle kann ein LED-Chip sein. LEDs strahlen, im Gegensatz zu Lasern, Licht in einem weiten Öffnungswinkel aus. Übliche, auf einem Substrat montierte LED-Chips strahlen so in alle Richtungen.The light source used may be an LED chip. LEDs, in contrast to lasers, emit light in a wide opening angle. Usual LED chips mounted on a substrate radiate in all directions.
Die Übertragung von Licht in einem Lichtleiter erfolgt im wesentlichen ohne Änderung des Öffnungswinkels, d.h., dass das Licht beim Austreten aus dem Lichtleiter den gleichen Öffnungswinkel besitzt wie beim Eintritt.The transmission of light in an optical fiber is effected substantially without changing the aperture angle, that is, the light as it exits the optical fiber has the same aperture angle as at the entrance.
Um somit Licht mit weitem Öffnungswinkel an der Austrittsseite der Emissionsfa- sern zu realisieren, wird bei einem weiteren Ausführungsbeispiel beim Einkoppeln auf optische Linsen verzichtet und zwischen dem LED-Chip und der proximalen Endfläche der Emissionsfaser ein Abstand von weniger als 0,3 mm, vorzugsweise 0 mm, vorgesehen.In order to thus realize light with a wide opening angle at the exit side of the emission fibers, in a further exemplary embodiment coupling is dispensed with optical lenses and a distance of less than 0.3 mm, preferably between the LED chip and the proximal end face of the emission fiber 0 mm, provided.
Durch den Verzicht auf optische Linsen können wesentlich weitere Öffnungswinkel realisiert werden.By dispensing with optical lenses significantly more opening angle can be realized.
Zwischen dem LED-Chip und der proximalen Endfläche der mindestens einen Emissionsfaser kann ein Medium angeordnet sein, das einen Brechungsindex besitzt, der zwischen dem der Emissionsfaser und dem der Oberfläche des LED- Chips liegt. Auf diese Weise werden die Reflektionsverluste an den Übergängen minimiert. Vorteilhafterweise ist das in den Zwischenraum eingebrachte Medium optisch transparent.Between the LED chip and the proximal end face of the at least one emission fiber may be disposed a medium having a refractive index intermediate between that of the emission fiber and that of the surface of the LED chip. In this way, the reflection losses at the transitions are minimized. Advantageously, the introduced into the space medium is optically transparent.
Bei einer Weiterbildung ist die an die lichtemittierende Fläche des LED-Chips angrenzende proximale Endfläche der Emissionsfasern kleiner als die lichtemittierende Fläche des LED-Chips und vollständig von der lichtemittierenden Fläche des LED-Chips bedeckt.In a further development, the proximal end surface of the emission fibers adjoining the light-emitting surface of the LED chip is smaller than the light-emitting surface of the LED chip and completely covered by the light-emitting surface of the LED chip.
Bei einer weiteren Ausgestaltung emittiert der LED-Chip Licht im UV-Bereich und/oder im angrenzenden sichtbaren Bereich, vorzugsweise violettes Licht im Wellenlängenbereich von 390 bis 420 nm. Die Strahlung in diesem Wellenlängenbereich kann besonders effizient die optischen Unterschiede zwischen gesun- den und infizierten Zähnen oder malignen Zellen und gesundem Gewebe aufdecken.In a further refinement, the LED chip emits light in the UV range and / or in the adjacent visible range, preferably violet light in the wavelength range from 390 to 420 nm. The radiation in this wavelength range can be particularly efficient in understanding the optical differences between healthy and visible light sources. uncover and infected teeth or malignant cells and healthy tissue.
Die Lichtquelle kann periodisch moduliertes Licht aussenden. Die Anregungsstrahlung kann in ihrer Amplitude modulierbar sein, wobei die Frequenz der Amplitudenmodulation ca. 2 kHz beträgt.The light source can emit periodically modulated light. The excitation radiation can be modulated in its amplitude, wherein the frequency of the amplitude modulation is about 2 kHz.
Zwischen Empfangseinheit und Auswerteeinheit können drei separate Vorverstärker und/oder mindestens ein Lock-in-Verstärker und/oder mindestens ein Subtrahierer angeordnet sein.Between the receiving unit and the evaluation unit, three separate preamplifiers and / or at least one lock-in amplifier and / or at least one subtracter can be arranged.
Der Subtrahierer kann ein Hardware-Subtrahierer sein. Das bedeutet, dass die Schaltungselemente des Subtrahierers aus konkreten Bauelementen bestehen, wie z. B. ohmsche Widerstände, Kondensatoren oder Verstärker. Der Vorteil eines Hardware-Subtrahierers liegt darin, dass der Dynamikbereich der Messung unabhängig von einem Offset voll zu Verfügung steht.The subtractor may be a hardware subtractor. This means that the circuit elements of the subtractor consist of concrete components, such. As resistors, capacitors or amplifiers. The advantage of a hardware subtractor is that the dynamic range of the measurement is fully available independent of an offset.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Emissions- als auch die De- tektionsfasern einen Akzeptanzwinkel größer als 35° aufweisen. Alternativ kann der Akzeptanzwinkel der Emissions- und Detektionsfaser größer als 40°, vorzugsweise größer als 45°, sein.In a further embodiment, the emission and the detection fibers can have an acceptance angle greater than 35 °. Alternatively, the acceptance angle of the emission and detection fibers may be greater than 40 °, preferably greater than 45 °.
Bei den bisher bekannten Vorrichtungen erwies sich der im wesentlichen axiale Austritt der Strahlung aus dem jeweiligen Lichtleiter als nachteilig, da aufgrund des im wesentlichen axialen Strahlungsaustritts eine ausreichende Bestrahlung gerader Abschnitte enger Hohlräume, z.B. Zahnfleischtaschen, nicht möglich ist. Aus diesem Grund werden bei den bisher bekannten Vorrichtungen zusätzliche optische Elemente am Strahlungsaustrittsende der Lichtleiter vorgesehen, die einen nicht unerheblichen Fertigungsaufwand darstellen und die Gesamtdurchmesser der Lichtleiter erheblich vergrößern.In the previously known devices, the substantially axial exit of the radiation from the respective light guide proved to be disadvantageous, since due to the substantially axial radiation exit sufficient irradiation of straight sections narrow cavities, e.g. Periodontal pockets, not possible. For this reason, additional optical elements are provided at the radiation exit end of the light guide in the hitherto known devices, which represent a significant manufacturing effort and significantly increase the overall diameter of the light guide.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass aufgrund der großen Akzeptanzwinkel der Emissions- als auch die Detektionsfasem bakteriell befallene Stellen oder maligne Zellen in engen Hohlräumen, wie z. B. in Zahnfleischtaschen, ohne zusätzliche optische Elemente besser detektierbar sind. Der Akzeptanzwinkel größer als 35° entspricht einem Öffnungswinkel von mindestens 70°. Der Vorteil eines Akzeptanzwinkels von größer als 35° besteht darin, dass das Bündel aus Emissions- und Detektionsfasern der vorliegenden Erfindung geeignet ist, um auch geradlinige Abschnitte enger Hohlräume zu bestrahlen, ohne dass zusätzliche optische Elemente verwendet werden müssen. Die auf einer ebenen Fläche, die senkrecht zur Lichtaustrittsfläche verläuft, erzielte maximale Intensität ist bei den erfindungsgemäßen Emissions- und Detektionsfasern, die einen Akzeptanzwinkel größer als 35° aufweisen, wesentlich höher als bei üblichen Quarzglaslichtleitern, die keine Weitwinkellichtleiter sind.The invention has the advantage that because of the large acceptance angle of the emission as well as the detection fibers bacterially infested sites or malignant cells in narrow cavities, such as. B. in periodontal pockets, are better detectable without additional optical elements. The acceptance angle greater than 35 ° corresponds to an opening angle of at least 70 °. The advantage of an acceptance angle of greater than 35 ° is that the bundle of emission and detection fibers of the present invention is suitable for irradiating also straight sections of narrow cavities without having to use additional optical elements. The maximum intensity achieved on a flat surface which runs perpendicular to the light exit surface is substantially higher in the case of the emission and detection fibers according to the invention which have an acceptance angle greater than 35 ° than in conventional quartz glass optical fibers which are not wide-angle light guides.
Die Emissions- und Detektionsfasern können einfach oder mehrfach beschichtet sein.The emission and detection fibers can be coated one or more times.
Die gesamte distale Stirnfläche der Emissions- und Detektionsfasern kann mit der proximalen Stirnfläche mindestens eines Lichtleitelementes gekoppelt sein, wobei das Lichtleitelement aus Saphir bzw. einem mineralischen Werkstoff oder aus Kunststoff bestehen und einen Akzeptanzwinkel größer als 35° aufweisen kann. Der Akzeptanzwinkel kann auch größer als 40°, vorzugsweise größer als 45°, sein. Die gesamte distale Stirnfläche der Emissions- und Detektionsfasern und die proximale Stirnfläche des Lichtleitelementes können mit Hilfe einer Federkraft aneinander gepresst sein.The entire distal end face of the emission and detection fibers can be coupled to the proximal end face of at least one light guide element, wherein the light guide element made of sapphire or a mineral material or plastic and can have an acceptance angle greater than 35 °. The acceptance angle can also be greater than 40 °, preferably greater than 45 °. The entire distal end face of the emission and detection fibers and the proximal end face of the light-guiding element can be pressed against one another with the aid of a spring force.
Auch können die Fluoreszenzsignale des Lichtleitelements von den unterschiedlichen Sensoren der Halbleitersensorenanordnung erfassbar sein. Durch Vergleich der von den Sensoren erzeugten Messsignale mit den in der Auswerteeinheit gespeicherten Referenzdatensätzen unterschiedlicher Materialien ist zusätzlich auch das Material des mindestens einen Lichtleitelements erkennbar. Die Auswerteeinheit kann ausgeben, aus welchem Material das Lichtleitelement besteht.The fluorescence signals of the light-guiding element can also be detected by the different sensors of the semiconductor sensor arrangement. By comparing the measurement signals generated by the sensors with the reference data sets of different materials stored in the evaluation unit, the material of the at least one light-guiding element can additionally be identified. The evaluation unit can output which material the light-guiding element consists of.
Dies hat den Vorteil, dass die Information, aus welchem Material das Lichtleitelement besteht, an eine Software weitergegeben werden kann. Diese Software legt unter anderem die Empfindlichkeit fest, mit der die Messwerte ausgewertet werden. Die Weitergabe der Information an die Software hat den Vorteil, dass die Sensitivität der Messung dem Material des Lichtleitelements angepasst wer- den kann. Das heißt, dass die Empfindlichkeit, mit der die Messwerte ausgewertet werden, dem Anwendungszweck angepasst werden kann.This has the advantage that the information of which material the light-guiding element consists can be passed on to a software. Among other things, this software determines the sensitivity with which the measured values are evaluated. The passing on of the information to the software has the advantage that the sensitivity of the measurement is adapted to the material of the light-guiding element. that can. This means that the sensitivity with which the measured values are evaluated can be adapted to the application.
Das Lichtleitelement kann innerhalb einer Inspektionssonde geführt sein, die einen Schaft und ein Ankopplungsteil aufweist. Die Inspektionssonde kann an einem Handstück angeschlossen sein und die Verbindungsstelle zwischen der gesamten distalen Stirnfläche der Emissions- und Detektionsfasern und der proximalen Stirnfläche des Lichtleitelements kann sich innerhalb des Handstücks befinden. Auch die Lichtquelle kann sich innerhalb des Handstücks befinden.The light-guiding element can be guided within an inspection probe, which has a shaft and a coupling part. The inspection probe may be connected to a handpiece and the junction between the entire distal end face of the emission and detection fibers and the proximal end face of the light guide member may be within the handpiece. The light source can also be located inside the handpiece.
Das Lichtleitelement kann starr oder flexibel sein.The light-guiding element can be rigid or flexible.
Das Lichtleitelement kann die von der Lichtquelle über die Emissionsfasern zur biologischen Substanz emittierte Anregungsstrahlung und auch die von der biologischen Substanz ausgehende Fluoreszenzstrahlung leiten.The light-guiding element can guide the excitation radiation emitted by the light source via the emission fibers to the biological substance and also the fluorescence radiation emanating from the biological substance.
Das Lichtleitelement kann aus einem einzelnen Lichtleiter oder aus mehreren Lichtleitern, d.h. einem Lichtleiterbündel bestehen.The light-guiding element may consist of a single optical fiber or of a plurality of optical fibers, i. consist of a fiber optic bundle.
Der Gesamtdurchmesser des einzelnen Lichtleiters oder der Gesamtdurchmesser des Lichtleiterbündels kann größer oder gleich dem Gesamtdurchmesser von Emissions- und Detektionsfasern sein.The total diameter of the individual optical fiber or the total diameter of the optical fiber bundle may be greater than or equal to the total diameter of emission and detection fibers.
Alternativ zu dem Lichtleitelement können die Emissions- und Detektionsfasern direkt, d.h. ohne Zwischenschalten eines Lichtleitelements, bis zur biologischen Substanz z. B. in einem Endoskop geführt werden. Die Emissions- und Detektionsfasern können ebenfalls am distalen Ende innerhalb einer Inspektionssonde mit Schaft und Ankopplungsteil geführt sein. Der Schaft kann starr oder flexibel sein. Er kann auch biegsam oder gebogen ausgeführt sein. Der Schaft kann als Schutzschlauch ausgebildet sein.As an alternative to the light guide, the emission and detection fibers may be directly, i. without interposition of a light-guiding element, up to the biological substance z. B. be performed in an endoscope. The emission and detection fibers can also be guided at the distal end within an inspection probe with shaft and coupling part. The shaft can be rigid or flexible. It can also be flexible or bent. The shaft may be formed as a protective tube.
Die zwei zuvor genannten Ausführungsformen mit Inspektionssonde erleichtern die Handhabbarkeit, da das Bündel aus Emissions- und Detektionsfasern bzw. das Lichtleitelement aufgrund des gebogenen Schafts leicht in z. B. Zahnfleischtaschen eingeführt werden kann. Die Emissions- und Detektionsfasem können mit dem distalen Ende des Schafts abschließen oder maximal ca. 5 cm gegenüber dem Schaft hervorstehen.The two aforementioned embodiments with inspection probe facilitate handling, since the bundle of emission and detection fibers or the light guide due to the curved shaft easily in z. B. periodontal pockets can be introduced. The emission and detection fibers may terminate with the distal end of the shaft or protrude a maximum of about 5 cm from the shaft.
Bei einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das proximale Ende der Inspektionssonde an ein Handstück anschließbar ist, wobei die Emissions- und Detektionsfasem innerhalb des Handstücks führbar sind.In a further embodiment, it is provided that the proximal end of the inspection probe can be connected to a handpiece, wherein the emission and detection fibers can be guided within the handpiece.
Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtung besser handhabbar ist, da das Bündel aus Emissions- und Detektionsfasem aufgrund des Handstücks besser geführt werden kann.This has the advantage that the device is easier to handle, since the bundle of emission and detection fibers can be guided better due to the handpiece.
Die Lichtquelle kann innerhalb des Handstücks angeordnet sein.The light source may be disposed within the handpiece.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Länge der Emissionsfaser oder die Gesamtlänge der Emissionsfaser und des Lichtleitelements weniger als 60 cm, vorzugsweise weniger als 10 cm, beträgt.In a further development, it is provided that the length of the emission fiber or the total length of the emission fiber and the light-guiding element is less than 60 cm, preferably less than 10 cm.
Diese Ausführungsformen haben den Vorteil, dass das ausgesendete Licht keine langen Wege von der Lichtquelle bis zur biologischen Substanz zurücklegen muss, da bei Weitwinkellichtleitern die Intensität der Strahlung mit zunehmender Länge des Lichtleiters abnimmt.These embodiments have the advantage that the emitted light does not have to travel long distances from the light source to the biological substance, since in the case of wide-angle light guides, the intensity of the radiation decreases with increasing length of the light guide.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert:In the following, embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings:
Es zeigen schematisch:They show schematically:
Fig. 1 eine prinzipielles Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,1 is a schematic block diagram of the device according to the invention,
Fig. 2 eine Vorrichtung mit Halbleitersensorenanordnung,2 shows a device with semiconductor sensor arrangement,
Fig. 3 ein Blockschaltbild der Vorrichtung mit Empfangseinheit, Verstärker, Subtrahierer, Auswerteeinheit und Anzeige, Fig. 4 eine Darstellung, bei der die Lichtquelle ein LED-Chip ist,3 shows a block diagram of the device with receiving unit, amplifier, subtractor, evaluation unit and display, 4 shows a representation in which the light source is an LED chip,
Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild, bei dem die Lichtquelle im Handstück angeordnet ist,5 is a schematic block diagram in which the light source is arranged in the handpiece,
Fig. 6 eine Vorrichtung mit Lichtleitelement,6 shows a device with light-guiding element,
Fig. 7a ein Weitwinkellichtleiter, dessen Achse parallel zu einer ebenen Fläche ausgerichtet ist,7a shows a wide-angle light guide whose axis is aligned parallel to a flat surface,
Fig. 7b ein Quarzglaslichtleiter, der kein Weitwinkellichtleiter ist, und dessen Achse parallel zu einer ebenen Fläche ausgerichtet ist,FIG. 7b shows a quartz glass light guide, which is not a wide-angle light guide, and whose axis is aligned parallel to a flat surface, FIG.
Fig. 8 eine Darstellung mit Lichtverteilung auf der ebenen Fläche aus Fig. 2a und Fig. 2b,8 is a representation with light distribution on the flat surface of Fig. 2a and Fig. 2b,
Fig. 9 eine Darstellung, die den Zusammenhang zwischen Dämpfung der Beleuchtungsstärke und Länge des Lichtleiters darstellt.Fig. 9 is an illustration showing the relationship between attenuation of the illuminance and length of the light guide.
Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung im zahnärztlichen Bereich. Anregungsstrahlung aus der Lichtquelle 18 wird in ein Bündel von Emissionsfasern 14 eingekoppelt und von diesem zu einem Zahn 1 transportiert. Die Emissionsfasern 14 werden zusammen mit Detektionsfasern 16 in einem Lichtleiterkabel 12 geführt. Das Lichtleiterkabel 12 ist am distalen Ende an ein Handstück 10 gekoppelt. Die Emissionsfasern 14 und die Detektionsfasern 16 werden in dem Handstück 10 und in einer Inspektionssonde 2 geführt. Die Inspektionssonde 2 besteht aus einem Ankopplungsteil 6 und einem Schaft 4. Das proximale Ende des Ankopplungsteils 6 ist an das distale Ende des Handstücks 10 anschließbar. Der Schaft 4 kann vorzugsweise aus Metall oder Kunststoff bestehen. Die am Zahn 1 von der Anregungsstrahlung angeregte Fluoreszenzstrahlung wird über Detektionsfasern 16 zu einer Empfangseinheit 20 transportiert. Die Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 schließen am distalen Ende 8 vorzugsweise mit dem distalen Ende des Schafts 4 ab. Maximal stehen die Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 um ca. 5 cm gegenüber dem zweiten Schaft hervor. In der Empfangseinheit 20 wird die Fluoreszenzstrahlung in drei voneinander getrennten Wellenlängenbereichen erfasst und in drei elektrische Signale umgewandelt. Diese werden über separate Vorverstärker 22, einem Lock-in-Verstärker 24 zugeführt. Mittels eines dem Lock-in-Verstärker 24 nachgeschalteten Subtrahierer 26 können Hintergrundsignale abgezogen werden. Hintergrundsignale entstehen durch Reflektion der Anregungsstrahlung am distalen Ende 8 der Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 sowie durch eine leichte Eigenfluoreszenz der Lichtleitfasern und der verwendeten Klebstoffe. Die Größe dieses Signals ist direkt proportional zur Anregungsstrahlung. Wird die Anregungsstrahlung konstant gehalten, ergibt sich ein konstantes Offset-Signal. Dieses Hintergrundsignal wird während der Einschaltroutine des Messgerätes gemessen und vor der Auswertung im Subtrahierer 26 eliminiert. Innerhalb der Auswerteeinheit 28 befindet sich ein Speicher 27, in dem dreidimensionale Messwerte von gesundem Zahnmaterial, krankem Zahnmaterial und künstlichem Füllungsmaterial hinterlegt sind. Dreidimensional bedeutet, dass bei jedem Messwert die Strahlungsintensitäten in drei Spektralbereichen z. B. in den Spektralbereichen der Grundfarben Rot, Grün, Blau gemessen werden. Der aktuell gemessene dreidimensionale Messwert wird mit den gespeicherten Vergleichsmesswerten verglichen und es werden die Abstände zu dem nächstliegenden Vergleichsmesswert von gesundem Zahnmaterial und/oder künstlichem Füllungsmaterial und krankem Zahnmaterial bestimmt. Das Verhältnis von dem Abstand zwischen aktuell gemessenem Messwert und dem nächstliegendem Vergleichsmesswert von gesundem Zahnmaterial oder künstlichem Füllungsmaterial und dem Abstand zwischen aktuell gemessenem Messwert und dem nächstliegenden Vergleichsmesswert von krankem Zahnmaterial wird in Form von Werten auf einer Anzeigeeinheit 29 angezeigt. Der Anwender weiß, wenn dieser Wert kleiner als ein bestimmter Wert ist, ist der untersuchte Zahnbereich frei von bakteriellen Rückständen.Fig. 1 shows a schematic block diagram of a device according to the invention for use in the dental field. Excitation radiation from the light source 18 is coupled into a bundle of emission fibers 14 and transported by this to a tooth 1. The emission fibers 14 are guided together with detection fibers 16 in an optical fiber cable 12. The fiber optic cable 12 is coupled to a handpiece 10 at the distal end. The emission fibers 14 and the detection fibers 16 are guided in the handpiece 10 and in an inspection probe 2. The inspection probe 2 consists of a coupling part 6 and a shaft 4. The proximal end of the coupling part 6 can be connected to the distal end of the handpiece 10. The shaft 4 may preferably be made of metal or plastic. The fluorescence radiation excited at the tooth 1 by the excitation radiation is transported via detection fibers 16 to a receiving unit 20. The emission and detection fibers 14, 16 preferably terminate at the distal end 8 with the distal end of the shaft 4. At most, the emission and detection fibers 14, 16 protrude by approximately 5 cm from the second shaft. In the receiving unit 20, the fluorescence radiation is detected in three separate wavelength ranges and converted into three electrical signals. These are supplied via separate preamplifier 22, a lock-in amplifier 24. By means of the lock-in amplifier 24 downstream subtractor 26 background signals can be subtracted. Background signals are produced by reflection of the excitation radiation at the distal end 8 of the emission and detection fibers 14, 16 and by a slight intrinsic fluorescence of the optical fibers and the adhesives used. The size of this signal is directly proportional to the excitation radiation. If the excitation radiation is kept constant, the result is a constant offset signal. This background signal is measured during the switch-on routine of the measuring device and eliminated in the subtracter 26 before the evaluation. Within the evaluation unit 28 is a memory 27 in which three-dimensional measured values of healthy tooth material, diseased tooth material and artificial filling material are stored. Three-dimensional means that for each measured value, the radiation intensities in three spectral ranges z. B. in the spectral regions of the primary colors red, green, blue are measured. The currently measured three-dimensional measured value is compared with the stored comparative measured values and the distances to the closest comparative measured value of healthy dental material and / or artificial filling material and diseased dental material are determined. The ratio of the distance between the currently measured value and the closest comparative measured value of healthy dental material or artificial filling material and the distance between the currently measured value and the closest comparative measured value of diseased dental material is displayed in the form of values on a display unit 29. The user knows that if this value is smaller than a certain value, the examined tooth area is free from bacterial residues.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen von insbesondere bösartigen Tumoren sieht ähnlich wie die in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebene Vorrichtung aus. Ein Unterschied besteht darin, dass kein Handstück 10 und keine Inspektionssonde 2 verwendet werden. Das Lichtleiterkabel 12 ist am distalen Ende an ein Endoskop angekoppelt. Die Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 werden innerhalb des Endoskops geführt und schließen am distalen Ende mit dem distalen Ende des Endoskops ab oder stehen maximal ca. 5 cm gegenüber dem distalen Ende des Endoskops über. Das Endoskop ist in den menschlichen Körper z.B. zur Blasenuntersuchung oder zur Untersuchung anderer Körperhohlräume einführbar.A device according to the invention for detecting particularly malignant tumors looks similar to the device described in connection with FIG. One difference is that no handpiece 10 and no inspection probe 2 are used. The optical fiber cable 12 is coupled to an endoscope at the distal end. The emission and detection fibers 14, 16 are guided inside the endoscope and close at the distal end from the distal end of the endoscope or over a maximum of about 5 cm from the distal end of the endoscope over. The endoscope can be introduced into the human body, for example, for the examination of the bladder or for the examination of other body cavities.
Fig. 2 zeigt ein Bündel aus Detektionsfasern 16, die zentrisch über eine erfindungsgemäße Halbleitersensorenanordnung 62 und in einem definierten Abstand zur Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung 62 mit Hilfe einer Lichtleiterhal- terung 68 positioniert sind. Die Lichtleiterhalterung 68 ist, was hier nicht dargestellt ist, an dem Gehäuse der Halbleitersensorenanordnung 62 befestigt. Die Halbleitersensorenanordnung 62 weist drei Sensoren auf, die innerhalb eines Kreises angeordnet sind, die die am Zahn über die Emissionsfasern 14 angeregte Fluoreszenzstrahlung in drei voneinander getrennten Wellenlängenbereichen erfassen und in drei elektrische Signale umwandeln. Die drei Sensoren sind Sensoren für die Grundfarben Rot, Grün und Blau. Der jeweiligen Grundfarbe ist ein Kreissegment von 120° zugeordnet. Der Abstand zwischen der Endfläche der Detektionsfasern 16 und der Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung 62 gewährleistet eine vollständige Ausleuchtung der drei Sensoren. Der Abstand zwischen Endfläche der Detektionsfasern 16 und der Oberfläche der Halbleitersensorenanordnung 62 kann bei Verwendung von Weitwinkellichtleitern weniger als 2 mm betragen. Zwischen den Detektionsfasern 16 und Halbleitersensorenanordnung 62 kann ein Vorfilter 64 zur Unterdrückung der Anregungsstrahlung angeordnet sein. Der Vorfilter 64 ist auf der Halbleitersensorenanordnung 62 mit Hilfe einer optisch transparenten Vergussmasse fixiert.FIG. 2 shows a bundle of detection fibers 16, which are positioned centrally via a semiconductor sensor arrangement 62 according to the invention and at a defined distance from the surface of the semiconductor sensor arrangement 62 with the aid of a light conductor holder 68. The optical fiber holder 68, which is not shown here, attached to the housing of the semiconductor sensor assembly 62. The semiconductor sensor arrangement 62 has three sensors, which are arranged within a circle, which detect the fluorescence radiation excited at the tooth via the emission fibers 14 in three separate wavelength ranges and convert them into three electrical signals. The three sensors are sensors for the primary colors red, green and blue. The respective primary color is assigned a circle segment of 120 °. The distance between the end face of the detection fibers 16 and the surface of the semiconductor sensor array 62 ensures complete illumination of the three sensors. The distance between the end surface of the detection fibers 16 and the surface of the semiconductor sensor array 62 may be less than 2 mm when using wide-angle light guides. Between the detection fibers 16 and the semiconductor sensor arrangement 62, a prefilter 64 for suppressing the excitation radiation can be arranged. The pre-filter 64 is fixed on the semiconductor sensor assembly 62 by means of an optically transparent potting compound.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Detektionsfasern 16, die die vom Zahn zurückgesandte Strahlung leiten, sind zentral über eine Halbleitersensorenanordnung 62 in einem definierten Abstand zur O- berfläche der Halbleitersensorenanordnung 62 positioniert. Die Halbleitersensorenanordnung 62 weist drei innerhalb eines Kreises angeordnete Sensoren auf, die die am Zahn oder in der Zahnfleischtasche über die Emissionsfasern 14 angeregte Fluoreszenzstrahlung in drei voneinander getrennten Wellenlängenbereichen erfassen und in drei elektrische Signale umwandeln. Diese werden, wie auch in Fig. 1 dargestellt, über separate Vorverstärker 22, einem Lock-in- Verstärker 24 und einem Subtrahierer 26 einer Auswerteeinheit 28 zugeführt. Dort werden die Messwerte mit in einem Speicher 27 gespeicherten Vergleichsmesswerten verglichen und ein Wert ausgegeben, der auf einer Anzeige 29 darstellbar ist. Wenn der Wert oberhalb eines bestimmten Werts ist, bedeutet das, dass der Zahn bakteriellen Befall aufweist.Fig. 3 shows a block diagram of the device according to the invention. The detection fibers 16 which guide the radiation returned by the tooth are positioned centrally via a semiconductor sensor arrangement 62 at a defined distance from the surface of the semiconductor sensor arrangement 62. The semiconductor sensor arrangement 62 has three sensors arranged within a circle, which detect the fluorescence radiation excited on the tooth or in the periodontal pocket via the emission fibers 14 in three separate wavelength ranges and convert them into three electrical signals. These are, as also shown in FIG. 1, fed via separate preamplifiers 22, a lock-in amplifier 24 and a subtracter 26 to an evaluation unit 28. There, the measured values are compared with comparison measured values stored in a memory 27 and a value is output which can be displayed on a display 29. If the value is above a certain value, it means that the tooth has bacterial infestation.
Fig. 4 zeigt einen LED-Chip 40, der mit den Emissionsfasern 14 gegenüberliegend gekoppelt ist. Das heißt, dass zwischen der LED-Chip-Oberfläche und der proximalen Stirnfläche der Emissionsfasern 14 weniger als 0,3 mm, vorzugsweise 0 mm, Abstand verbleibt. Zwischen der LED-Chip-Oberfläche und der Emissionsfasern 14 kann ein nicht dargestelltes, vorzugsweise transparentes Medium, z. B. ein Kunstharz, angeordnet sein, dessen Berechnungsindex zwischen dem der E- missionsfasern 14 und dem der LED-Chip-Oberfläche liegt. Mit Hilfe des transparenten Mediums, z. B. einem aushärtbaren Kunststoff, werden die Emissionsfasern mechanisch fest mit dem LED-Chip 40 verbunden und optisch gekoppelt. Der LED-Chip 40 ist mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers 46 auf einen Monitordiodenchip 50 montiert und elektrisch kontaktiert. Die Monitordiode 50 liefert eine Messgröße proportional zur optischen Ausgangsleitung des LED-Chips 40. Von einer elektrischen Kontaktstelle 48 ist ein Bonddraht 44 mit einem im Sockel 52 isoliert geführten elektrischen Anschlussstift 54 verbunden. Die Monitordiode 50 besitzt einen zweiten elektrischen Kontakt, der als Gehäusepin 56 nach außen geführt ist. Der LED-Chip 40 besitzt ebenso einen zweiten elektrischen Anschluss. Dieser Anschluss erfolgt über einen Bonddraht 42, der mit einem im Sockel 52 isoliert geführten elektrischen Anschlussstift 58 verbunden ist.4 shows an LED chip 40, which is coupled opposite to the emission fibers 14. That is, less than 0.3 mm, preferably 0 mm, spacing remains between the LED chip surface and the proximal end face of the emission fibers 14. Between the LED chip surface and the emission fibers 14, a not shown, preferably transparent medium, for. As a resin, may be arranged, the calculation index between which the E- missionsfasern 14 and the LED chip surface is located. With the help of the transparent medium, z. B. a curable plastic, the emission fibers are mechanically fixed to the LED chip 40 and optically coupled. The LED chip 40 is mounted by means of an electrically conductive adhesive 46 on a monitor diode chip 50 and electrically contacted. The monitor diode 50 supplies a measured variable proportional to the optical output line of the LED chip 40. From an electrical contact point 48, a bonding wire 44 is connected to an insulated electrical connection pin 54 guided in the base 52. The monitor diode 50 has a second electrical contact, which is guided as Gehäusepin 56 to the outside. The LED chip 40 also has a second electrical connection. This connection is made via a bonding wire 42, which is connected to an isolated in the base 52 outboard electrical connection pin 58.
Alternativ ist der Aufbau aus Fig. 4 auch ohne Monitordiode 50 ausführbar. In diesem Fall würden auch die elektrische Kontaktstelle 48 und der Bonddraht 44 mit dem im Sockel isoliert geführten Stift 54 wegfallen.Alternatively, the structure of FIG. 4 can also be executed without a monitor diode 50. In this case, the electrical contact point 48 and the bonding wire 44 with the isolated in the socket pin 54 would be omitted.
Damit die Strahlungsverluste der Anregungsstrahlung gering gehalten werden können, wird in einem Ausführungsbeispiel, in Fig. 5, das dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 ähnlich ist, die Lichtquelle innerhalb des Handstücks 10 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Länge der Emissionsfasern 14 sehr kurz ausführbar ist. Die Emissionsfasern 14 und Detektionsfasern 16 werden am distalen Ende des Handstücks 10 zusammengeführt. Am distalen Ende schließt eine Inspektionssonde mit Schaft und Ankopplungsteil an, in der die Emissions- 14 und Detektionsfasem 15 geführt sind. Distal schließen die Emissions- und Detektions- fasern mit dem distalen Ende des Schafts ab. Die am Zahn 1 angeregte Fluoreszenzstrahlung wird vom Zahn 1 über die Detektionsfasem 16 zu einer Empfangseinheit 20, die sich im Gerät 17 befindet, gesendet. Die Detektionsfasem 16 werden vom proximalen Handstück 10 bis zur Empfangseinheit 20 in dem Lichtleiterkabel 13 geführt. In Fig. 5 wird die Lichtquelle aus Fig. 4 verwendet.So that the radiation losses of the excitation radiation can be kept low, in one exemplary embodiment, in FIG. 5, which is similar to the exemplary embodiment from FIG. 1, the light source is arranged inside the handpiece 10. This has the advantage that the length of the emission fibers 14 is very short executable. The emission fibers 14 and detection fibers 16 are brought together at the distal end of the handpiece 10. At the distal end, an inspection probe with shaft and coupling part connects, in which the emission 14 and Detektionsfasem 15 are guided. Distally, the emission and detection fibers terminate with the distal end of the shaft. The fluorescence radiation excited at the tooth 1 is transmitted from the tooth 1 via the detection fibers 16 to a receiving unit 20 located in the device 17. The detection fibers 16 are guided from the proximal handpiece 10 to the receiving unit 20 in the optical fiber cable 13. In Fig. 5, the light source of Fig. 4 is used.
Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild, dass dem aus Fig. 5 sehr ähnlich ist, mit dem Unterschied, dass die Stirnfläche des Bündels aus Emissions- und Detektionsfasem mit der Stirnfläche eines Lichtleitelements 9 gekoppelt ist.FIG. 6 shows a block diagram which is very similar to that of FIG. 5, with the difference that the end face of the bundle of emission and detection fibers is coupled to the end face of a light-guiding element 9.
Das Lichtleitelement 9 ist innerhalb einer Zentriervorrichtung 15 geführt und ragt am proximalen Ende der Zentriervorrichtung 15 aus dieser heraus. Die Zentriervorrichtung 15 und somit das Lichtleitelement 9 werden mit dem Bündel aus Emissions- und Detektionsfasem 14, 16 innerhalb eines Steck- und Kupplungselements 11 durch eine Feder gegeneinander gepresst. Ein solches Steck- und Kupplungselement 11 kann ein handelsüblicher ST-Stecker sein, der eine Bajo- netthalterung aufweist. Das Steck- und Kupplungselement 11 befindet sich innerhalb eines Handstücks 10. Das Lichtleitelement 9 wird um die gegenüber dem proximalen Ende der Zentriervorrichtung 11 überstehende Länge in das erste Ankopplungsteil 7 zurückgedrückt. Da das Lichtleitelement 9 innerhalb des Schafts 4 und/oder des distalen Endes des Ankopplungsteils 6 fixiert bzw. festgeklebt ist, verbiegt sich das Lichtleitelement 9, das in diesem Fall eine flexible Kunststofflichtleitfaser ist, innerhalb des Ankopplungsteils 6. Durch die Biegung steht das Lichtleitelement 9 unter Spannung, die bewirkt, dass das Lichtleitelement 9 permanent gegen das Bündel aus Emissions- und Detektionsfasem 14, 16 gedrückt wird. Dies gewährleistet eine gute Einkopplung der Strahlung aus dem Bündel aus Emissions- und Detektionsfasem 14, 16 in das Lichtleitelement 9 und umgekehrt.The light guide 9 is guided within a centering device 15 and projects at the proximal end of the centering device 15 out of this. The centering device 15 and thus the light-guiding element 9 are pressed against each other with the bundle of emission and detection fibers 14, 16 within a plug-in and coupling element 11 by a spring. Such a plug and coupling element 11 may be a commercially available ST plug, which has a bayonet holder. The plug-in and coupling element 11 is located within a handpiece 10. The light-guiding element 9 is pushed back by the length projecting beyond the proximal end of the centering device 11 into the first coupling part 7. Since the light-guiding element 9 is fixed or glued within the shaft 4 and / or the distal end of the coupling part 6, the light-guiding element 9, which in this case is a flexible plastic optical fiber, bends inside the coupling part 6. The light-guiding element 9 stands by the bend under tension, which causes the light-guiding element 9 to be pressed permanently against the bundle of emission and detection fibers 14, 16. This ensures a good coupling of the radiation from the bundle of emission and Detektionsfasem 14, 16 in the light guide 9 and vice versa.
An der Verbindungsstelle wird die Anregungsstrahlung aus der Emissionsfaser 14 in das Lichtleitelement 9 eingekoppelt. Das Lichtleitelement 9 ist innerhalb einer Inspektionssonde 2 geführt. Die Inspektionssonde 2 besteht aus einem Schafts 4 und einem Ankopplungsteil 6. Das Lichtleitelement 9 kann am distalen Ende mit dem distalen Ende des Schaft 4 abschließen oder distal aus diesem hervorragen, wobei er maximal 30 mm aus dem ersten Schaft 5 hervorragt. Das aus dem Lichtleitelement 9 distal austretende Licht beleuchtet den zu untersuchenden Zahnabschnitt. Das von dem beleuchteten Zahnabschnitt zurückgesandte Licht wird vom distalen Ende des Lichtleitelements 9 aufgenommen und über die De- tektionsfasern 16 zu einer Empfangseinheit 20 geführt.At the junction, the excitation radiation from the emission fiber 14 is coupled into the light guide element 9. The light-guiding element 9 is guided inside an inspection probe 2. The inspection probe 2 consists of a shaft 4 and a coupling part 6. The light-guiding element 9 can terminate at the distal end with the distal end of the shaft 4 or protrude distally therefrom, wherein it protrudes a maximum of 30 mm from the first shaft 5. The light exiting distally from the light-guiding element 9 illuminates the tooth section to be examined. The light returned by the illuminated tooth section is picked up by the distal end of the light-guiding element 9 and guided via the detection fibers 16 to a receiving unit 20.
Alternativ kann das Lichtleitelement 9 auch aus Saphir oder anderen mineralischen Materialen bestehen. Die Verbindung zwischen Lichtleitelement 9 und dem Bündel aus Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 kann auch, insbesondere wenn das Lichtleitelement 9 starr ist, ohne Verbiegung des Lichtleitelements 9 stattfinden. Das Lichtleitelement 9 und das Bündel aus Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 können eine ballige Stirnfläche aufweisen, um eine bessere Ein- kopplung des Lichts zu ermöglichen.Alternatively, the light guide 9 may also consist of sapphire or other mineral materials. The connection between the light-guiding element 9 and the bundle of emission and detection fibers 14, 16 can also take place without bending the light-conducting element 9, in particular if the light-guiding element 9 is rigid. The light-guiding element 9 and the bundle of emission and detection fibers 14, 16 can have a crowned end face in order to enable a better coupling of the light.
Auch kann das Lichtleitelement aus mehreren Lichtleitern bestehen, d. h. das Lichtleitelement besteht aus einem Lichtleiterbündel. Diese Lichtleiter können jeweils einen Durchmesser von etwa 30 μm aufweisen. Auch diese Lichtleiter können aus Saphir oder anderen mineralischen Materialien oder Kunststoffen bestehen.Also, the light guide may consist of several optical fibers, d. H. the light guide consists of an optical fiber bundle. These light guides may each have a diameter of about 30 microns. These optical fibers may also consist of sapphire or other mineral materials or plastics.
Auch können zusätzlich zu den Fluoreszenzsignalen der beleuchteten Zahnabschnitte die Fluoreszenzsignale des Lichtleitelements 9 von der Empfangseinheit 20 erfasst werden. Diese letztgenannten Fluoreszenzsignale werden dann ebenfalls in elektrische Signale umgewandelt. Diese werden über separate Vorverstärker 22, einem Lock-in-Verstärker 24 und einem Subtrahierer 26 der Auswerteeinheit 28 zugeführt. In dem Speicher 27, der sich innerhalb der Auswerteeinheit 28 befindet, können sich zusätzlich dreidimensionale Messwerte der Materialien verschiedener möglicher Lichtleitelemente 9 befinden. Die gemessenen Fluoreszenzsignale des Lichtleitelements 9 können mit den gespeicherten Messwerten verglichen werden. Auf diese Weise kann ermittelt werden, aus welchem Material das Lichtleitelement 9 besteht. Die Sensitivität der Messung kann dem Material den Lichtleitelements angepasst werden.Also, in addition to the fluorescence signals of the illuminated tooth sections, the fluorescence signals of the light-guiding element 9 can be detected by the receiving unit 20. These latter fluorescence signals are then also converted into electrical signals. These are fed to the evaluation unit 28 via separate preamplifiers 22, a lock-in amplifier 24 and a subtractor 26. In the memory 27, which is located within the evaluation unit 28, three-dimensional measured values of the materials of various possible light-guiding elements 9 can additionally be located. The measured fluorescence signals of the light-guiding element 9 can be compared with the stored measured values. In this way it can be determined from which material the light-guiding element 9 is made. The sensitivity of the measurement can be adapted to the material of the light-guiding element.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Feststellen von, insbesondere bösartigen, Tumoren sieht ähnliche wie die in Zusammenhang mit Fign. 5 und 6 be- schriebenen Vorrichtungen aus. Ein Unterschied besteht darin, dass keine Inspektionssonde 2 verwendet wird. Es ist jeweils ein Endoskop an das distale Ende des Handstücks 10 angekoppelt. Die Emissions- und Detektionsfasern 14, 16 werden innerhalb des Endoskops geführt und schließen am distalen Ende mit dem distalen Ende des Endoskops ab oder stehen maximal 5 cm gegenüber dem distalen Ende des Endoskops über. Das Endoskop ist in den menschlichen Körper zum Untersuchen von Körperholräumen einführbar.An inventive device for detecting, in particular malignant, tumors looks similar to that described in connection with FIGS. 5 and 6 written out devices. One difference is that no inspection probe 2 is used. In each case, an endoscope is coupled to the distal end of the handpiece 10. The emissive and detection fibers 14, 16 are guided within the endoscope and terminate at the distal end with the distal end of the endoscope or protrude more than 5 cm from the distal end of the endoscope. The endoscope is insertable into the human body for examining body cavities.
Fign. 7a und 7b zeigen einen Lichtkegel eines Lichtleiters, der einen Weitwinkellichtleiter repräsentiert, und im Vergleich hierzu den Lichtkegel eines üblichen Quarzglaslichtleiters, der kein Weitwinkellichtleiter ist. Die Mittelachse 34, 36 der beiden Lichtleiter liegen im Abstand von 300 μm parallel zu einer ebenen Fläche 30. Die Durchmesser der Lichtleiter betragen jeweils 210 μm. Der Weitwinkellichtleiter strahlt das Licht mit einem Öffnungswinkel von 120° ab, was einem Akzeptanzwinkel von 60° entspricht. Der herkömmliche Quarzglaslichtleiter, der kein Weitwinkellichtleiter ist, besitzt einen Öffnungswinkel von 25°. Die Lichtintensitäten auf der ebenen Fläche 30 sind in den Bereichen am höchsten, wo die Linien 35 und 37 auf die ebene Fläche 30 treffen.FIGS. Figs. 7a and 7b show a cone of light of a lightguide representing a wide angle light guide and, in comparison, the light cone of a conventional silica glass waveguide which is not a wide angle light guide. The central axis 34, 36 of the two light guides are at a distance of 300 microns parallel to a flat surface 30. The diameters of the optical fibers are each 210 microns. The wide-angle optical fiber emits the light with an opening angle of 120 °, which corresponds to an acceptance angle of 60 °. The conventional quartz glass optical fiber, which is not a wide-angle optical fiber, has an opening angle of 25 °. The light intensities on the flat surface 30 are highest in the areas where the lines 35 and 37 meet the flat surface 30.
Vorzugsweise werden als Weitwinkellichtleiter Glaslichtleiter mit einem Akzeptanzwinkel größer als 35°, vorzugsweise größer als 40°, verwendet. Es können aber auch Weitwinkel-Kunststofflichtleitfasern, vorzugsweise aus Polystyrol, verwendet werden.Glass waveguides having an acceptance angle greater than 35 °, preferably greater than 40 °, are preferably used as the wide-angle optical fiber. However, it is also possible to use wide-angle plastic optical fibers, preferably polystyrene.
Fig. 8 zeigt die Lichtverteilungen auf der ebenen Fläche 30 aus Fig. 7a und Fig. 7b. Die Lichtaustrittsfläche d.h. das freie Ende der Lichtleiter liegt auf der Abszisse beim Wert 0. Die weißen Punkte repräsentieren die Lichtintensitätsverteilung für übliche Quarzglaslichtleiter mit einem Öffnungswinkel von 25°, die schwarzen Quadrate repräsentieren die Lichtintensitätsverteilung für Weitwinkellichtleiter mit einem Öffnungswinkel von 120°. Deutliche Unterschiede zwischen beiden Kurven sind zu erkennen. Ein Öffnungswinkel von nur 25° führt zu einem flachen Kurvenverlauf. Die maximal auf der ebenen Fläche 30 erzielte Lichtintensität hat etwa einen Abstand zwischen 1,5 mm und 2 mm von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiterendes bei einem Öffnungswinkel von 25°. Im Falle eines Öffnungswinkels von 120° hat die maximal auf der ebenen Fläche 30 erzielte Lichtintensität einen Abstand von nur etwa 0,3 mm von dem Lichtleiterende. Die auf der ebenen Fläche erzielte maximale Intensität ist im Falle des bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Weitwinkellichtleiters mehr als fünf mal höher im Vergleich zu der maximalen Intensität eines üblichen Quarzglaslichtleiters, der kein Weitwinkellichtleiter ist. Das heißt, es können wesentlich genauere Messwerte ermittelt werden, da das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wesentlich besser ist. Der untersuchte Flächenabschnitt ist bei einem Weitwinkellichtleiter, wie aus Fig. 7a und Fig. 7b ersichtlich ist, wesentlich kürzer und besser ausgeleuchtet als bei üblichen Quarzglaslichtleitern, die keine Weitwinkellichtleiter sind. Das Verhältnis von bakteriell verunreinigter Fläche zu untersuchtem Flächenabschnitt hat einen direkten Einfluss auf die Messwerte, d.h., wenn die bakteriell verunreinigte Fläche klein ist gegenüber dem untersuchten Flächenabschnitt, so ist die Verunreinigung wegen des geringen prozentualen Anteils der verunreinigten Fläche zu dem insgesamt untersuchten Flächenabschnitt nur schwer aus den Messwerten abzulesen. Kleine Verunreinigungen können bei der Verwendung von üblichen Quarzglaslichtleitern mit großem untersuchten Flächenabschnitt und schwacher Ausleuchtung, wie aus Fig. 8 hervorgeht, daher leicht übersehen werden. Bei Weitwinkellichtleitern mit verhältnismäßig kurzem Flächenabschnitt und intensiver Ausleuchtung ist das Verhältnis von verunreinigter Fläche zu untersuchtem Flächenabschnitt hinsichtlich des prozentualen Anteils günstiger, so dass verunreinigte Flächen eindeutiger und genauer detektierbar sind. Aus diesem Grund können die zu untersuchenden Zahnabschnitte, insbesondere in engen Hohlräumen, mit einem erfindungsgemäßen Weitwinkellichtleiter genauer untersucht werden.Fig. 8 shows the light distributions on the flat surface 30 of Fig. 7a and Fig. 7b. The light exit surface, ie the free end of the optical fibers, is located on the abscissa at the value 0. The white dots represent the light intensity distribution for conventional quartz glass optical fibers with an aperture angle of 25 °, the black squares represent the light intensity distribution for wide-angle optical fibers with an aperture angle of 120 °. Significant differences between the two curves can be seen. An opening angle of only 25 ° leads to a flat curve. The maximum light intensity achieved on the flat surface 30 has approximately a distance between 1.5 mm and 2 mm from the light exit surface of the light guide end at an opening angle of 25 °. In the case of an opening angle of 120 °, the maximum achieved on the flat surface 30 Light intensity a distance of only about 0.3 mm from the optical fiber end. The maximum intensity achieved on the flat surface is more than five times higher in the case of the wide-angle optical fiber used in a device according to the invention compared to the maximum intensity of a conventional quartz glass optical fiber, which is not a wide-angle optical fiber. This means that much more accurate measured values can be determined, since the signal-to-noise ratio is significantly better. In the case of a wide-angle optical waveguide, as is evident from FIGS. 7a and 7b, the examined surface section is significantly shorter and better illuminated than with conventional quartz glass optical waveguides which are not wide-angle light guides. The ratio of bacterially contaminated area to area under investigation has a direct influence on the measured values, ie, if the bacterially contaminated area is small compared to the surface area under investigation, the contamination is difficult because of the small percentage of contaminated area to the total area surveyed read from the measured values. Small impurities can therefore easily be overlooked when using conventional quartz glass optical fibers having a large surface area under inspection and low illumination, as shown in FIG. 8. For wide-angle light guides with a relatively short surface section and intense illumination, the ratio of contaminated surface to surface area examined in terms of percentage is more favorable, so that contaminated surfaces are clearly and accurately detectable. For this reason, the tooth sections to be examined, in particular in narrow cavities, can be examined more precisely with a wide-angle light guide according to the invention.
Fig. 9 zeigt die Beleuchtungsstärke am Ende verschiedener Lichtleiter relativ zur Beleuchtungsstärke am Eingang der Lichtleiter in Abhängigkeit von deren Länge. Die relative Beleuchtungsstärke wurde nach der folgenden Formel berechnet:FIG. 9 shows the illuminance at the end of different light guides relative to the illuminance at the entrance of the light guides as a function of their length. The relative illuminance was calculated according to the following formula:
B = NA2 * l0-{{o*L)n0) B = NA 2 * l0- {{o * L) n0)
B: BeleuchtungsstärkeB: Illuminance
NA: Numerische Apertur a : Dämpfung des Lichtleiters in dB/mNA: numerical aperture a: attenuation of the optical fiber in dB / m
L: Länge des Lichtleiters in m Die offenen Kreise beziehen sich auf einen Weitwinkellichtleiter mit einem Öffnungswinkel von 120°. Dieser Weitwinkellichtleiter weist im Bereich von 400 nm eine Dämpfung von etwa 17 dB/m auf. Die schwarzen Punkte beziehen sich auf einen Quarzglaslichtleiter mit einem Öffnungswinkel von 25°. Dieser Quarzglaslichtleiter weist im Bereich von 400 nm eine Dämpfung von etwa 0,1 dB/m auf.L: length of the light guide in m The open circles refer to a wide-angle optical fiber with an opening angle of 120 °. This wide-angle optical fiber has an attenuation of about 17 dB / m in the range of 400 nm. The black dots refer to a quartz glass fiber with an opening angle of 25 °. This quartz glass optical fiber has an attenuation of about 0.1 dB / m in the range of 400 nm.
Aus Fig. 9 ist ersichtlich, dass lange Lichtleitfasern, gerade bei Weitwinkellichtleitern, in dem für die Fluoreszenzanregung interessanten, kurzwelligen Spektralbereich um 390 - 420 nm zu einer Abschwächung des an der Austrittsfläche zur Verfügung stehenden Lichts führen. Die Lichtleiterfasern sollten, um diese Dämpfung zu vermeiden, bei Verwendung eines Weitwinkellichtleiters eine Länge von weniger als 60 cm, vorzugsweise weniger als 10 cm, aufweisen. So könnte im Gegensatz zu üblichen Quarzglaslichtleitern, die keine Weitwinkellichtleiter sind, eine etwa 10-fach höhere Beleuchtungsstärke erzielt werden. It can be seen from FIG. 9 that long optical fibers, especially in the case of wide-angle light guides, lead to a weakening of the light available at the exit surface in the short-wave spectral range around 390-420 nm, which is interesting for fluorescence excitation. The optical fiber should, in order to avoid this attenuation, have a length of less than 60 cm, preferably less than 10 cm, when using a wide-angle optical fiber. Thus, in contrast to conventional quartz glass fiber optics, which are not wide-angle light guides, an approximately 10 times higher illuminance could be achieved.

Claims

Ansprüche claims
1. Vorrichtung zur Messung der von biologischen Substanzen emittierten Fluoreszenzstrahlung, mit1. Apparatus for measuring the fluorescence radiation emitted by biological substances, with
- einer Lichtquelle (18),a light source (18),
- einer Empfangseinheit (20),a receiving unit (20),
- einer Auswerteeinheit (28), die mit der Empfangseinheit (20) gekoppelt ist, mindestens einer Emissionsfaser (14), die mit der Lichtquelle (18) gekoppelt ist, und mindestens einer Detektionsfaser (16), die mit der Empfangseinheit (20) gekoppelt ist, wobei die Emissionsfaser (14) eine Anregungsstrahlung zur biologischen Substanz leitet und die Detektionsfaser (16) die an der biologischen Substanz angeregte Fluoreszenzstrahlung aufnimmt und zur Auswerteeinheit (28) leitet,- An evaluation unit (28) which is coupled to the receiving unit (20), at least one emission fiber (14) which is coupled to the light source (18), and at least one detection fiber (16) coupled to the receiving unit (20) wherein the emission fiber (14) conducts an excitation radiation to the biological substance and the detection fiber (16) receives the fluorescence radiation excited by the biological substance and conducts it to the evaluation unit (28),
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,characterized ,
dass die Empfangseinheit (20) eine Halbleitersensorenanordnung (62) aufweist, in der mindestens drei Sensoren innerhalb einer Fläche angeordnet sind, die die von der biologischen Substanz emittierte Fluoreszenzstrahlung in voneinander getrennten Wellenlängenbereichen erfassen, wobei in der Auswerteeinheit (28) Datensätze von mindestens zwei unterschiedlichen Referenzmessungen an mindestens zwei unterschiedlichen biologischen Substanzen gespeichert sind und die Auswerteeinheit (28) die gemessenen Messwerte mit den gespeicherten Datensätzen vergleicht und ein Ergebnis hinsichtlich des krankhaften Befalls der untersuchten biologischen Substanzen und/oder hinsichtlich der Art der untersuchten biologischen Substanzen ausgibt.in that the receiving unit (20) has a semiconductor sensor arrangement (62) in which at least three sensors are arranged within a surface which detect the fluorescence radiation emitted by the biological substance in separate wavelength ranges, data sets of at least two different ones being present in the evaluation unit (28) Reference measurements are stored on at least two different biological substances and the evaluation unit (28) compares the measured values measured with the stored data sets and outputs a result regarding the pathological infestation of the examined biological substances and / or in terms of the type of biological substances studied.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datensätze in Form von mehrdimensionalen, vorzugsweise dreidimensionalen Messwerten gespeichert sind.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the data sets are stored in the form of multi-dimensional, preferably three-dimensional measured values.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem proximalen Ende der Detektionsfaser (16) austretende Lichtkegel ohne Zwischenschalten optischer Linsen die Sensorfläche der Halbleitersensorenanordnung ausleuchtet.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the from the proximal end of the detection fiber (16) emerging light cone illuminates the sensor surface of the semiconductor sensor assembly without interposition of optical lenses.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsfaser (16) mit Hilfe einer Lichtleiterhalterung über der Halbleitersensorenanordnung (62) und in einem Abstand zur O- berfläche der Halbleitersensorenanordnung (62) fixiert ist, wobei die Lichtleiterhalterung an dem Gehäuse der Halbleitersensorenanordnung (62) befestigt ist.4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the detection fiber (16) by means of an optical fiber mount over the semiconductor sensor array (62) and at a distance to the O- berfläche of the semiconductor sensor array (62) is fixed, wherein the optical fiber mount to the housing the semiconductor sensor assembly (62) is attached.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Sensoren Sensoren für die Grundfarben Rot, Grün und Blau sind, wobei die Sensoren innerhalb einer Kreisfläche angeordnet sind und der jeweiligen Grundfarbe ein Kreisflächensegment von 120° zugeordnet ist.5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the three sensors are sensors for the primary colors red, green and blue, wherein the sensors are arranged within a circular area and the respective base color is assigned a circular area segment of 120 °.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor für die Grundfarbe Rot die höchste Sensitivität besitzt und bis mindestens 750 nm empfindlich ist.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor for the primary color red has the highest sensitivity and is sensitive to at least 750 nm.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren aus Fotowiderständen, Fototransistoren, Fotodioden und/oder pyroelektrischen Sensoren bestehen können, wobei die Sensoren unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen.7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensors may consist of photoresistors, phototransistors, photodiodes and / or pyroelectric sensors, wherein the sensors have different spectral sensitivities.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Vorfilter zur Unterdrückung der Anregungsstrahlung zwischen der mindestens einen Detektionsfaser (16) und der Halbleitersensorenanordnung (62) angeordnet ist und auf der Halbleitersensorenanordnung (62) mit Hilfe einer optisch transparenten Vergussmasse fixiert ist.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an optical pre-filter for suppressing the excitation radiation between the at least one detection fiber (16) and the semiconductor sensor assembly (62) is arranged and fixed on the semiconductor sensor assembly (62) by means of an optically transparent potting compound is.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des optischen Vorfilters weniger als 2 mm beträgt. 9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the thickness of the optical prefilter is less than 2 mm.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfilter ein dielektrischer Filter ist.10. Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that the pre-filter is a dielectric filter.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitersensorenanordnung (62) auf einer Platine angeordnet ist, die mit einer elektrisch leitfähigen Schicht, vorzugsweise aus Kupfer gegen elektromagnetische Strahlung abgeschirmt ist.11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor sensor arrangement (62) is arranged on a circuit board, which is shielded with an electrically conductive layer, preferably made of copper against electromagnetic radiation.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Empfangseinheit (20) und der Auswerteeinheit (28) drei separate Verstärker zur Verstärkung der jeweiligen Signale der Sensoren angeordnet sind.12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the receiving unit (20) and the evaluation unit (28) three separate amplifiers for amplifying the respective signals of the sensors are arranged.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) ein LED-Chip (40) ist.13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (18) is an LED chip (40).
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der LED- Chip (40) Licht im UV-Bereich und/oder sichtbaren Bereich, vorzugsweise violettes Licht im Wellenlängenbereich von 390 nm bis 420 nm, emittiert.14. The device according to claim 13, characterized in that the LED chip (40) light in the UV range and / or visible range, preferably violet light in the wavelength range of 390 nm to 420 nm, emitted.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (18) periodisch moduliertes Licht aussendet und die Frequenz der Amplitudenmodulation ca. 2 kHz beträgt.15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the light source (18) emits periodically modulated light and the frequency of the amplitude modulation is about 2 kHz.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Empfangseinheit (20) und Auswerteeinheit (28) drei separate Vorverstärker (22) und/oder mindestens ein Lock-in- Verstärker (24) und/oder mindestens ein Subtrahierer (26) angeordnet sind.16. Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the receiving unit (20) and evaluation unit (28) has three separate preamplifier (22) and / or at least one lock-in amplifier (24) and / or at least one subtractor (26 ) are arranged.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Subtrahierer (26) ein Hardware-Subtrahierer ist.17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the subtractor (26) is a hardware subtractor.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass sowohl die Emissions- (14) als auch die Detektionsfaser (16) einen Akzeptanzwinkel größer als 35°, vorzugsweise größer als 45°, aufweisen.18. Device according to one of the preceding claims, characterized shows that both the emission (14) and the detection fiber (16) have an acceptance angle greater than 35 °, preferably greater than 45 °.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte distale Stirnfläche der mindestens einen Emissionsfaser (14) und der mindestens einen Detektionsfaser (16) mit der proximalen Stirnfläche mindestens eines Lichtleitelements (9) gekoppelt ist, wobei das Lichtleitelement (9) aus einem einzelnen Lichtleiter oder aus einem Lichtleiterbündel besteht.19. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the entire distal end face of the at least one emission fiber (14) and the at least one detection fiber (16) is coupled to the proximal end face of at least one light guide element (9), wherein the light guide element (9 ) consists of a single optical fiber or a fiber optic bundle.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtleitelement (9) innerhalb einer Inspektionssonde (2) geführt ist, die einen Schaft (4) und ein Ankopplungsteil (6) aufweist.20. The device according to claim 19, characterized in that the light guide element (9) is guided within an inspection probe (2) having a shaft (4) and a coupling part (6).
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluoreszenzsignale des Lichtleitelements (9) von den drei Sensoren der Halbleitersensorenanordnung (62) erfassbar sind und dass durch Vergleich der von den drei Sensoren erzeugten Messsignale mit den in der Auswerteeinheit (28) gespeicherten Referenzdatensätzen unterschiedlicher Materialien zusätzlich auch das Material des Lichtleitelements (9) erkennbar ist und die Auswerteeinheit (28) ausgibt aus welchem Material das Lichtleitelement (9) besteht.21. Device according to claim 19 or 20, characterized in that the fluorescence signals of the light-guiding element (9) can be detected by the three sensors of the semiconductor sensor arrangement (62) and that by comparison of the measuring signals generated by the three sensors with those in the evaluation unit (28). stored reference data sets of different materials in addition, the material of the light-guiding element (9) is also recognizable and the evaluation unit (28) outputs from which material the light-guiding element (9).
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensiti- vität der Messung dem Material des Lichtleitelements (9) angepasst ist.22. The device according to claim 21, characterized in that the sensitivity of the measurement is adapted to the material of the light-guiding element (9).
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der mindestens einen Emissionsfaser (14) oder die Gesamtlänge der mindestens einen Emissionsfaser (14) und des Lichtleitelements (9) weniger als 60 cm, vorzugsweise weniger als 10 cm, beträgt.23. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the length of the at least one emission fiber (14) or the total length of the at least one emission fiber (14) and the light-guiding element (9) is less than 60 cm, preferably less than 10 cm ,
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Emissions- und Detektionsfasern (14, 16) am distalen Ende in- nerhalb einer Inspektionssonde (2) mit Schaft (4) und Ankopplungsteil (6) geführt sind.24. Device according to one of claims 1 to 18, characterized in that the emission and detection fibers (14, 16) at the distal end in within an inspection probe (2) with shaft (4) and coupling part (6) are guided.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das proximale Ende der Inspektionssonde (2) an ein Handstück (10) anschließbar ist, wobei die Lichtquelle (18) innerhalb des Handstücks (10) angeordnet ist. 25. Device according to one of claims 20 to 24, characterized in that the proximal end of the inspection probe (2) to a handpiece (10) is connectable, wherein the light source (18) within the handpiece (10) is arranged.
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