EP2283341A2 - Verfahren und messeinrichtung zur erhebung hinsichtlich der konzentration eines stoffes in einem untersuchungsbereich indikativer signale, insbesondere aus vitalem gewebe - Google Patents

Verfahren und messeinrichtung zur erhebung hinsichtlich der konzentration eines stoffes in einem untersuchungsbereich indikativer signale, insbesondere aus vitalem gewebe

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EP2283341A2
EP2283341A2 EP08852593A EP08852593A EP2283341A2 EP 2283341 A2 EP2283341 A2 EP 2283341A2 EP 08852593 A EP08852593 A EP 08852593A EP 08852593 A EP08852593 A EP 08852593A EP 2283341 A2 EP2283341 A2 EP 2283341A2
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EP
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tissue
light
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heating
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Holger Jungmann
Michael Schietzel
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Mbr Optical Systems Gmbh&co KG
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
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    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/14546—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring analytes not otherwise provided for, e.g. ions, cytochromes
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    • G01N21/1717—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated with a modulation of one or more physical properties of the sample during the optical investigation, e.g. electro-reflectance

Definitions

  • the invention is directed to a method and a measuring device for collecting signals which as such provide information about the concentration of a substance, in particular within a vital tissue area.
  • the invention has for its object to provide solutions by which measured values can be generated by means of a spectrometric measurement, which in addition to the detection of certain substances provide more comprehensive information, in particular with regard to the amount or concentration of these substances in the tissue section in particular a capillary.
  • This object is achieved according to the invention by a method for generating spectrometric measurement signals in which:
  • Light is coupled into a vital tissue region to be examined
  • Tissue region is fed to a spectrometer device, and the spectrometer device generates measurement signals which as such are the intensity of the
  • Substances in the tissue section is calculated.
  • the active change in the temperature of the tissue region to be examined is effected by irradiation of light.
  • This light is preferably generated by a heat radiator, in particular a heated light source.
  • light in the near infrared range is suitable for the detection of blood constituents.
  • tissue temperature values associated with the respectively recorded spectra can be calculated in particular on the basis of the energy input made in the course of the heating phase, or they can also be measured.
  • the measurement of the temperature can be carried out in particular under the direct evaluation of certain spectral ranges of the recorded spectrum.
  • the heating of the tissue region or the sample to be examined is preferably carried out in pulses.
  • the pulse interval can be determined such that, as part of the subsequent heating pulses, a successive heating of the tissue section to be examined is achieved.
  • a corresponding spectrum is detected and stored in terms of data technology.
  • the present invention is not limited to applications for determining the concentration of substances in vital tissue.
  • the inventive approach for determining the concentration of substances indicative values based on an actively induced thermal distortion can also be applied to other samples, in particular for the in vitro analysis of substance concentrations.
  • FIG. 1 shows a sketch to illustrate a measuring arrangement according to the invention for the subsequent generation of substance spectra, in each case with stepwise heating of the tissue section to be examined,
  • Figure 2 is a diagram illustrating the variation of the absorption coefficient of a substance at different tissue temperatures
  • FIG. 3 shows a diagram for illustrating the successive increase in temperature of the examined tissue region for the active induction of the concentration-indicative changes of the spectra.
  • FIG. 1 shows in a greatly simplified manner a measuring arrangement for generating spectrometric measuring signals.
  • This measuring arrangement comprises a light source 1, preferably embodied as an LED light source, and a receiver system 2 symbolized here only for the purpose of illustration as a prism, by means of which the light L 1 emerging from a sample P can be detected.
  • the receiver system 2 comprises a spectrometer device, by means of which measurement signals are generated, which as such represent the intensity of the remission light L 1 associated with the wavelength.
  • the measuring arrangement according to the invention is operated in such a way that the sample P is heated stepwise over a sufficiently long period of time, several spectra being recorded as part of this heating of the sample P.
  • the concentration of certain substances can be calculated on the basis of a correlation approach.
  • the calculation of the concentrations of these substances is carried out using a phenomenon that consists in the fact that the temperature dependence of the change in the optical density of certain substances within a studied overall system is also dependent on the concentration of the substance in that overall system.
  • the tissue to be examined is heated to include the substance to be detected and at the same time the absorption spectrum is measured.
  • the absorption coefficient A is given by:
  • the concentration of S can be determined.

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Description

Verfahren und Messeinrichtung zur Erhebung hinsichtlich der
Konzentration eines Stoffes in einem Untersuchungsbereich indikativer Signale, insbesondere aus vitalem Gewebe
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Erhebung von Signalen die als solche Aufschluss über die Konzentration eines Stoffes insbesondere innerhalb eines vitalen Gewebebereichs geben.
Es sind Messverfahren bekannt, bei welchen eine Analyse von vitalem Gewebe bewerkstelligt wird, indem an einen entsprechenden Gewebebereich ein mobiles Spektrometer angesetzt und über dieses mobile Spektrometer das Spektrum von aus dem Gewebe austretendem Remissionslicht aufgezeichnet wird. Anhand des so aufgezeichneten Spektrums können verschiedenste in dem untersuchten Gewebebereich vorhandene Substanzen erkannt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen, durch welche im Wege einer spektrometrischen Messung Messwerte generiert werden können, die neben dem Nachweis bestimmter Substanzen umfassendere Informationen, insbesondere hinsichtlich der Stoffmenge oder Konzentration dieser Substanzen in dem Gewebeabschnitt insbesondere einem Kapillarsystem liefern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Generierung von spektrometrischen Messsignalen bei welchem:
Licht in einen zu untersuchenden vitalen Gewebebereich eingekoppelt wird,
Remissionslicht das als solches aus dem zu untersuchenden
Gewebebereich austritt einer Spektrometereinrichtung zugeführt wird, und über die Spektrometereinrichtung Messsignale generiert werden die als solche die Intensität des
Remissionslichtes unter Zuordnung zur Wellenlänge darstellen, wobei die Messung derart abgewickelt wird, dass sich diese über einen Zeitraum (T) hinweg erstreckt, und dass innerhalb dieses Zeitraums die Temperatur des untersuchten Gewebeabschnitts aktiv durch Kühlung oder
Erwärmung verändert wird, und Spektren für unterschiedliche Temperaturen des Gewebebereichs aufgezeichnet werden, wobei aus den für unterschiedliche Gewebetemperaturen abfolgend ermittelten Spektren temperaturbedingte
Veränderungen der Spektren ermittelt werden und aus diesen Veränderungen die Konzentrationen ausgewählter
Substanzen in dem Gewebeabschnitt errechnet wird.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, in zeitlich relativ enger Abfolge mehrere Spektren zu dem der Untersuchung zu Grunde gelegten Gewebeabschnitt zu generieren, wobei diese Spektren durch eine aktiv herbeigeführte Temperaturänderung zueinander Unterschiede („Verzerrungen") aufweisen, die als solche hinreichend sind für die Bestimmung Konzentration nachzuweisender Stoffe. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die aktive Veränderung der Temperatur des zu untersuchenden Gewebebereiches durch Aufstrahlung von Licht. Dieses Licht wird vorzugsweise durch einen Wärmestrahler, insbesondere ein Heizlichtquelle generiert. Für den Nachweis von Blutinhaltsstoffen eignet sich hierbei insbesondere Licht im nahen Infrarotbereich.
Es ist möglich, dieses Heizlicht durch eine entsprechend gestaltete Lichtquelle, insbesondere unter Verwendung einer Fokussieroptik derart in das Gewebe einzukoppeln, dass innerhalb des Gewebes nur eine lokale Aufheizung der für die Generierung des Remissionslichtspektrums maßgeblichen Sektion erfolgt.
Die zu den jeweils aufgezeichneten Spektren gehörigen Gewebetemperaturwerte können insbesondere anhand des im Rahmen der Heizphase erfolgten Energieeintrages errechnet, oder auch gemessen werden. Die Messung der Temperatur kann insbesondere unter unmittelbarer Auswertung bestimmter Spektralbereiche des aufgezeichneten Spektrums vorgenommen werden.
Die Aufheizung des Gewebebereiches oder auch der zu untersuchenden Probe erfolgt vorzugsweise pulsweise. Der Pulsabstand kann dabei so festgelegt werden, dass im Rahmen der abfolgenden Heizpulse eine sukzessive Erwärmung des zu untersuchenden Gewebeabschnitts erreicht wird. Vorzugsweise wird unmittelbar nach jedem Aufheizungspuls ein entsprechendes Spektrum erfasst und datentechnisch gespeichert.
Um die erfindungsgemäß zur Ermittlung der Stoffkonzentrationen beitragende thermische Verzerrung der Spektrum möglichst signifikant zu gestalten, ist es möglich, insbesondere zu Beginn der Messung zunächst den zu untersuchenden Gewebebereich aktiv zu kühlen. Diese aktive Kühlung kann beispielsweise durch eine unmittelbar in die Spektrometereinrichtung eingebundene Kühleinrichtung erreicht werden. Die erfindungsgemäß zur Konzentrationsermittlung durchgeführte Aufzeichnung verschiedenster Spektren erfolgt damit vorzugsweise über einen Temperaturbereich von 273 bis 315 k.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Anwendungen zur Bestimmung der Konzentration von Substanzen in vitalem Gewebe beschränkt. Der erfindungsgemäße Ansatz zur Ermittlung hinsichtlich der Konzentration von Substanzen indikativer Werte anhand einer aktiv herbeigeführten thermischen Verzerrung kann auch bei anderweitigen Proben, insbesondere zur Invitro-Analyse von Stoffkonzentrationen angewendet werden.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
Figur 1 eine Skizze zur Veranschaulichung einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur abfolgenden Generierung von StoffSpektren unter jeweils schrittweiser Aufheizung des zu untersuchenden Gewebeabschnitts ,
Figur 2 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Veränderung des Absorptionskoeffizienten einer Substanz bei unterschiedlichen Gewebetemperaturen;
Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung der sukzessive vorgenommenen Temperaturerhöhung des untersuchten Gewebebereiches zur aktiven Herbeiführung der konzentrationsindikativen Veränderungen der Spektren. Figur 1 zeigt stark vereinfacht eine Messanordnung zur Generierung von spektrometrischen Messsignalen. Diese Messanordnung umfasst eine vorzugsweise als LED-Lichtquelle ausgeführte Lichtquelle 1 und ein hier nur zum Zwecke der Veranschaulichung als Prisma symbolisiertes Empfängersystem 2, durch welches das aus einer Probe P heraustretende Licht Ll erfasst werden kann. Das EmpfängerSystem 2 umfasst eine Spektrometereinrichtung, über welche Messsignale generiert werden, die als solche die Intensität des Remissionslichtes Ll unter Zuordnung zur Wellenlänge darstellen. Die erfindungsgemäße Messanordnung wird derart betrieben, dass über einen ausreichend langen Zeitraum hinweg die Probe P schrittweise erwärmt wird, wobei im Rahmen dieser Erwärmung der Probe P mehrere Spektren aufgezeichnet werden.
Aus den für unterschiedliche Gewebetemperaturen abfolgend aufgezeichneten Spektren kann unter Zugrundlegung eines Korrelationsansatzes die Konzentration bestimmter Stoffe errechnet werden.
Die Errechnung der Konzentrationen dieser Stoffe erfolgt unter Nutzung eines Phänomens, dass darin besteht, dass die Temperaturabhängigkeit der Änderung der optischen Dichte bestimmter Substanzen innerhalb eines untersuchten Gesamtsystems auch von der Konzentration der Substanz in jenem Gesamtsystem abhängig ist.
Wird die in dem Gesamtsystem enthaltene Substanz erwärmt oder abgekühlt, so ändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur die Amplitude der Absorption, insbesondere im nahen und mittleren Infrarotbereich. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß zur Quantifizierung von Substanzen eingesetzt. Erfindungsgemäß wird das zu untersuchende Gewebe unter Einschluss der nachzuweisenden Substanz erwärmt und gleichzeitig wird das Absorptionsspektrum gemessen. Dabei ist der Absorptionskoeffizient A gegeben durch:
A = CpHr2TJ-1Y 1
wobei : p = Dichte von S, c = spezifische Wärme von S, r = Querschnitt der Substanz,
T = Temperatur,
J = Wärmemenge in der Probe, y = Abkühlungskonstante.
Wird nun die applizierte Wärme periodisch einund ausgeschaltet, so ergibt sich
A = cpπr^J"1 (dT/dt)
Es sei nun die Änderung der Amplitude der Substanz S in Abhängigkeit von der Temperatur bekannt. Dann gibt die Änderung der Amplitude direkt die Konzentration der Substanz an, wenn eine bekannte Wärmemenge appliziert wird.
Liegt die Substanz in einer Mischung vor, so kann durch Änderung von dT/dt, d.h. durch Änderung der Frequenz und der Änderung von T die Konzentration von S ermittelt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Generxerung von spektrometrischen Messsignalen bei welchem:
Licht in einen zu untersuchenden vitalen Gewebebereich eingekoppelt wird,
Remissionslicht das als solches aus dem zu untersuchenden
Gewebebereich austritt einer Spektrometereinrichtung zugeführt wird, und
- über die Spektrometereinrichtung Messsignale generiert werden die als solche die Intensität des Remissionslichtes unter Zuordnung zur Wellenlange darstellen, wobei die Messung derart abgewickelt wird, dass sich diese über einen Zeitraum (t) hinweg erstreckt, und dass innerhalb dieses Zeitraums die Temperatur des untersuchten Gewebeabschnitts aktiv durch Kühlung oder Erwärmung verändert wird, und Spektren für unterschiedliche Temperaturen des Gewebebereichs aufgezeichnet werden,
- wobei aus den für unterschiedliche Gewebetemperaturen abfolgend ermittelten Spektren temperaturbedingte Veränderungen der Spektren ermittelt werden und aus diesen Veränderungen anhand eines Korrelationssystems die Konzentrationen ausgewählter Substanzen in dem Gewebeabschnitt errechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewebeabschnitt durch Aufstrahlung von Licht erwärmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht durch eine Heizlichtquelle generiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizlicht derart in den Gewebeabschnitt eingekoppelt wird, dass diese eine abgegrenzte Sektion desselben aufheizt.
5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Remissionslichtspektrum hinsichtlich der Gewebetemperatur signifikante Spektralbereiche extrahiert werden und anhand dieser Spektralbereiche ein Temperaturwert errechnet wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewebebereich pulsweise erwärmt wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Gewebebereiches in mehreren Schritten erfolgt.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Erwärmungsschritt ein Spektrum des Remissionslichtes aufgezeichnet wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewebeabschnitt durch Aufsatz eines Kühlkopfes gekühlt wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewebeabschnitt zunächst gekühlt und anschließend erwärmt wird.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufzeichnung der abfolgend erhobenen Spektren ein Datenfeld angelegt wird, das zu jedem aufgelösten Wellenlängenwert Daten enthält die als solche die Intensität oder optische Dichte und die Gewebetemperatur enthält.
12. Mobiles Spektrometer mit einer Speichereinrichtung und einer Auswertungsschaltung, wobei dieses Spektrometer derart konfiguriert ist, dass durch dieses eine Messung durchführbar ist bei welcher:
Licht in einen zu untersuchenden vitalen Gewebebereich eingekoppelt wird,
Remissionslicht das als solches aus dem zu untersuchenden
Gewebebereich austritt einer Spektrometereinrichtung zugeführt wird, und
- über die Spektrometereinrichtung Messsignale generiert werden die als solche die Intensität des Remissionslichtes unter Zuordnung zur Wellenlänge darstellen,
- wobei weiterhin eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, zur Aufheizung des zu untersuchenden Gewebebereiches und das Spektrometer derart ausgebildet ist, dass diese mehrere, bei unterschiedlichen
Gewebeaufheizungstemperaturen aufgenommen Spektren aufzeichnet .
EP08852593A 2007-11-20 2008-11-20 Verfahren und messeinrichtung zur erhebung hinsichtlich der konzentration eines stoffes in einem untersuchungsbereich indikativer signale, insbesondere aus vitalem gewebe Withdrawn EP2283341A2 (de)

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