WO1995034806A1 - Rückstrahlspektroskopische vorrichtung - Google Patents

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WO1995034806A1
WO1995034806A1 PCT/EP1995/002263 EP9502263W WO9534806A1 WO 1995034806 A1 WO1995034806 A1 WO 1995034806A1 EP 9502263 W EP9502263 W EP 9502263W WO 9534806 A1 WO9534806 A1 WO 9534806A1
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Tim Liesenhoff
Michael Giese
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Tim Liesenhoff
Michael Giese
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    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B18/18—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves
    • A61B18/20—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body by applying electromagnetic radiation, e.g. microwaves using laser
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • 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
    • G01N21/27—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands using photo-electric detection ; circuits for computing concentration
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    • A61B2017/00061—Light spectrum
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B18/00—Surgical instruments, devices or methods for transferring non-mechanical forms of energy to or from the body
    • A61B2018/00636—Sensing and controlling the application of energy

Definitions

  • Retroreflect spectroscopic devices are based on the phenomenon that electromagnetic waves are partly reflected, partly absorbed by irradiated materials and can thereby stimulate the materials concerned to emit new electromagnetic waves (so-called fluorescence). If the intensity is determined as a function of the wavelength of the retroreflection of a sample under investigation, a characteristic spectrum is obtained. The temporal development of the retroreflection can also or alternatively be taken into account. If the intensity, wavelength and temporal development of the retroreflection are taken into account at the same time, the spectrum could be represented as an area. For the sake of simplicity, however, we will talk about curves in the following. The aim of retroreflect spectroscopy is to identify and analyze unknown samples based on such spectra.
  • Devices for retroreflecting spectroscopy basically include a device for generating and targeted Forwarding of electromagnetic waves to the sample to be examined and a device for recording the retroreflective spectrum.
  • a laser is used as an example as the source of electromagnetic radiation in the rest of the text, and the fluorescence spectrum induced by the laser is used as the retroreflective spectrum.
  • the fundamental independence of the devices and problem solutions presented below from these exemplary restrictions is, however, expressly emphasized.
  • Identification methods known from medicine are essentially based on two different procedures: (1) One or more peaks are selected from the entire fluorescence spectrum, which peaks can be assigned to specific elements, enzymes or atomic compounds. The height of the peak and thus the intensity of the underlying radiation is related to the concentration of the respective element etc. A significant increase in the peak in degenerate versus non-degenerate tissue can be found. This enables a yes / no decision such as carcinoma / non-carcinoma with otherwise known tissue (see, for example, J. Beuthan et al., Investigations on NADH concentration determination using optical biopsy, in: Laser Medicine Vol. 10, p. 57- 63, Stuttgart 1994). In similar processes, the fluorescence is often increased by the application of dyes.
  • the aim of the present invention is now to provide a retroreflective spectroscopic device which is in principle able to identify and analyze any unknown sample during any use of a source for electromagnetic waves, such as a laser.
  • this object is achieved by the subject matter of claim 1, that is to say by a retroreflective spectroscopic device with a device for generating and specifically transmitting electromagnetic waves to a sample to be examined, means for recording and digitizing the resulting retroreflective spectrum and an analysis device.
  • the analysis device is designed in such a way that it has access to one or more specific mean value curves, each formed from standardized retroreflective spectra of known samples of the same type, one or more associated weighting curves based on the deviations of the individual standardized spectra from their mean value curve and associated ones for them respective sample type characteristic limits for weighted errors.
  • the recording / digitizing means evaluates the digitized spectra supplied to it by the recording / digitizing means as follows: it normalizes the spectra supplied to it in the same way as with the specific mean value curves available to it, and compares them with the existing mean value curves; it weights any deviations of the available mean value curves with the respective weighting curve and it determines whether the weighted deviation lies within or outside the respective characteristic limit for weighted errors and whether the digitized spectrum of the associated sample type or not.
  • the information obtained is output via an output device.
  • the device according to the invention offers the advantage of the possibility of "on line" tissue or material identification and analysis. Any section of the respective measurement curves can be taken into account.
  • the hitherto customary and only partially possible assignment of individual curve sections to underlying elements or enzymes is replaced by a global view.
  • the dimensions of time, intensity and wavelength can be included in the analysis process. This can increase the reliability and informative value of the analysis.
  • the entire evaluation of the measurements is fully automatic and does not require any expertise from the user.
  • the previously usual scientific interpretation of the measured spectra is replaced by a comparative technical evaluation process that is fundamentally inaccessible to human understanding due to its enormous complexity.
  • tissue to be treated such as Type of tissue, degenerate / non-degenerate, changed / not changed, degree of healing process etc.
  • tissue to be treated such as Type of tissue, degenerate / non-degenerate, changed / not changed, degree of healing process etc.
  • the statements that are important for the practitioner, for example, about the tissue to be treated, such as Type of tissue, degenerate / non-degenerate, changed / not changed, degree of healing process etc. can e.g. indicated by technical terms or symbols or communicated acoustically and enable constant objective, reproducible control of an ongoing intervention that is independent of the practitioner.
  • the analysis device is designed for a learning mode and has an input option for the desired characteristics of the sample types to be learned and a memory for the learned sample types (claim 2).
  • the device according to claim 2 be in the learning mode by test measurements on be Known samples determined the required mean and weighting curves, as well as the associated limits for the weighted error, which are characteristic of the respective sample type, by normalizing, averaging the test spectra belonging to each sample type and using the deviations of the individual standardized spectra from their mean value curve be weighted, on the basis of the occurring weighted errors of the test measurements a characteristic limit for the respective sample type for the weighted error is determined and the results obtained are stored (claim 3).
  • Such a self-taught ability to learn of the device according to the invention also enables, and is particularly easy for, the technical layperson to easily adapt or expand the desired possible field of application.
  • the output device for the information obtained also outputs the same or exclusively as control signals for one or more devices for treating the sample and passes them on to the devices (claim 4).
  • the device for generating and specifically forwarding electromagnetic waves to a sample to be examined is designed as a laser for treating or removing tissue or other materials, and the analysis device converts the identifications or analyzes of the respectively affected ones Sample in control signals for the corresponding continued operation of the laser (claim 5).
  • the subject matter of claim 4 or 5 allows, for example, extensive automation of surgical interventions. For example, it is possible to control a laser in a straight line over a tissue complex and to determine beforehand that only a certain type of tissue will be removed.
  • the laser can be controlled so that it automatically switches back and forth between weak strength required for analysis and strength required for ablating tissue.
  • Such precise ablation of tissues enables enormous progress to be made in the field of minimally invasive surgery.
  • Bacteria could be detected in highly sterile areas and killed by the laser.
  • 1 shows a first embodiment with a pulsed laser
  • 2 shows a second embodiment with an unpulsed laser
  • FIG. 3 shows a third embodiment corresponding to the first embodiment, in which a device for treating the sample is controlled.
  • FIG 4 shows a fourth embodiment corresponding to the first embodiment, which controls the laser.
  • a laser beam is generated in block 1 and fed via an output 3 into a conductor for electromagnetic waves, here a first light guide 4 in the form of a glass fiber.
  • Its output 5 is designed in such a way that it enables a sample 6 to be irradiated with the laser beam.
  • the retroreflective light in the present example the fluorescent light, is reflected in Fig.l via the light guide output 5 and the light guide 4 in the laser output 3 and, before it reaches the block 1, by a beam splitter 2 via a second light guide
  • the laser beam is pulsed by a "trigger" device 11 in such a way that the path between the radiation splitter 2 and the light guide output 5 is never traversed by laser and fluorescent light at the same time.
  • a "trigger" device 11 in such a way that the path between the radiation splitter 2 and the light guide output 5 is never traversed by laser and fluorescent light at the same time.
  • Such an embodiment has the advantage that the diameter of the light guide output 5 can be minimized. If this is of no importance or if an uninterrupted laser beam is desired without interference effects having to be taken into account and taken into account, one or more third light guides 12 can be provided, as in FIG. 2, which transmit the fluorescent light directly to the retroreflective spectroscopic system 8. 1-4 gives the retroreflective spectroscopic system
  • the received spectrum is standardized.
  • a suitable form of standardization is the area standardization.
  • the standardized spectrum is compared with the existing and in the same way standardized mean value curves.
  • the distance curve of the spectrum is calculated from the mean value curve (this gives the distance to each wavelength, preferably the relative distance, but alternatively, for example, the absolute distance between the measured spectrum and the mean value curve), and then using the weighting curve associated with the respective mean value curve, the weighted error of the measurement spectrum compared to the mean value curve.
  • the weighted error is obtained by multiplying the respective distance curve by the corresponding weighting curve.
  • the position of the weighted errors relative to the error limits characteristic of the individual sample types is then used to determine which sample type the examined sample corresponds to (or whether it does not correspond to any of the recorded sample types).
  • a probability of error-free assignment of approximately 90% was achieved even with statistically poor mean value curves (based only on ten test measurements in each case).
  • the data obtained in this way (type of tissue, condition of the tissue, etc.) are communicated to the practitioner with the aid of an output device 10, such as a monitor or an acoustic system.
  • an output device 10 such as a monitor or an acoustic system.
  • technical terms or symbols can be used.
  • the analysis device 9 is switched over switched to the learning mode and an input option for the desired indicators for the samples to be entered.
  • the actual learning process takes place according to the following sequence: Test measurements are carried out on known samples and the associated indicators for the respective sample type are entered. The resulting fluorescence spectra are normalized. An average curve is formed from all the normalized spectra belonging to a sample type. Then the standard deviation curves - taking into account the relative distances - to the respective mean value curves are preferably calculated. Weighting curves are determined from the deviation curves obtained in this way. A particularly suitable weighting is proportional to the square of the distance. The associated weighted errors are calculated from the weighting curve and the standard deviation curve.
  • a lower error limit is established from the position of the weighted errors.
  • a suitable criterion for this is, for example, to allow one or a few "outliers" (relative to the number of test measurements x%) and to set the next weighted error as the characteristic error limit.
  • the data obtained in this way are automatically stored in the analysis device 9 and can be transferred as desired to other devices for data processing using the usual data transmission means.
  • TMJ samples from freshly slaughtered pigs were used as test objects.
  • the aim was to differentiate between six different types of tissue. These were the muscles, discus, capsule, cancellous bone, cortical bone and cartilage.
  • the weighting was carried out proportional to the square of the distance:
  • the position of the weighted errors relative to the error limits J. could then be determined with approximately 90 percent certainty which tissue was present. This means that 10 percent of the tissue was not recognized even though it was present, and that the other way around, the tissue was incorrectly believed to be different with a 10 percent probability.
  • the weighting becomes:
  • the weighted errors of the test fabrics are calculated as:
  • the temporal influence during the fluorescence examination can thus also be included as information for the pattern recognition.
  • f ij normalized measurement curve of a calibration sample (i: object number)
  • FIG. 3 and 4 show an embodiment according to FIG. 1, which is used for the automatic control of a device 13 for the treatment of the sample 6 or for the control of the laser 1 examining and treating the sample via a return connection 14.
  • the device or devices 13 can be created via the line 15, for example for mechanical, but nevertheless targeted removal of materials or for the targeted sorting out of undesired materials, for example in waste separation. Any device 13 thus receives a visual perception combined with a corresponding responsiveness by the device according to the invention.
  • self-control of the laser 1 there is, for example, the possibility already mentioned of switching back and forth between the pure analysis of useful, weak laser strength and at the same time the removal of useful, large laser strength.
  • the analysis device it is necessary for the analysis device to convert the data obtained into corresponding control signals and to transmit them to the devices to be controlled.

Abstract

Rückstrahlspektroskopische Vorrichtung, mit a) einer Einrichtung zur Erzeugung (1) und gezielten Weiterleitung (3-5) elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe (6); b) Mitteln (8) zur Aufnahme und Digitalisierung des resultierenden Rückstrahlspektrums; und c) einer Analyseeinrichtung (9), die derart ausgelegt ist, daß sie c.1) einen Zugriff hat auf c.1.1) eine oder mehrere spezifische Mittelwertkurven, jeweils gebildet aus normierten Rückstrahlspektren bekannter gleichartiger Proben; c.1.2) eine oder mehrere zugehörige, auf den Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve basierende Wichtungskurven; und c.1.3) dazu gehörige, für die jeweilige Probenart charakteristische Grenzen für gewichtete Fehler; c.2) die ihr von dem Aufnahme-/Digitalisierungsmittel (8) zugeführten digitalisierten Spektren wie folgt auswertet: c.2.1) sie normiert die ihr zugeführten Spektren in gleicher Weise, wie bei den ihr zur Verfügung stehenden spezifischen Mittelwertkurven geschehen, und vergleicht sie mit den vorhandenen Mittelwertkurven; c.2.2) sie wichtet etwaige Abweichungen von den zur Verfügung stehenden Mittelwertkurven mit der jeweiligen Wichtungskurve; und c.2.3) sie stellt fest, ob die gewichtete Abweichung innerhalb oder außerhalb der jeweils dazugehörigen charakteristischen Grenze für gewichtete Fehler liegt und ob somit das digitalisierte Spektrum der zugehörigen Probenart zuzuordnen ist oder nicht; und c.3) die gewonnene Information über eine Ausgabeeinrichtung (10) ausgibt.

Description

Rückstrahlspektroskopische Vorrichtung
Rückstrahlspektroskopischen Vorrichtungen liegt das Phänomen zugrunde, daß elektromagnetische Wellen von bestrahlten Materialien teils reflektiert, teils absorbiert werden und dabei die betroffenen Materialien zur Emission neuer elektromagnetischer Wellen anregen können (sog. Fluoreszenz). Erfaßt man die Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Rückstrahlung einer untersuchten Probe, so erhält man ein charakteristisches Spektrum. Dabei kann auch oder alternativ die zeitliche Entwicklung der Rückstrahlung berücksichtigt werden. Bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Intensität, Wellenlänge und zeitlicher Entwicklung der Rückstrahlung wäre das Spektrum als Fläche darstellbar. Der Einfachheit halber wird im folgenden jedoch pauschal von Kurven die Rede sein. Das Ziel der Rückstrahlspektroskopie besteht darin, anhand solcher Spektren unbekannte Proben zu identifizieren und zu analysieren. Anwendungsgebiete der Rückstrahlspektroskopie liegen vor allem im Bereich der Medizin, wobei vor allem laserinduzierte Fluoreszenzspektren verwendet werden (z.B. im Bereich der Biopsie), aber auch in Bereichen beispielweise des Umweltschutzes (z.B. Luftanalyse) und des Recyclings (z.B. Materialtrennung).
Vorrichtungen zur Rückstrahlspektroskopie umfassen grundsätzlich eine Einrichtung zur Erzeugung und gezielten Weiterleitung elektromagnetischer Wellen auf die zu untersuchende Probe und eine Einrichtung zur Aufnahme des Rückstrahlspektrums. Um die Anschaulichkeit der folgenden Darstellung zu erhöhen, wird, sofern nicht anderes angegeben, im weiteren Text als Quelle elektromagnetischer Strahlung beispielhaft ein Laser verwendet, und als Rückstrahlspektrum das durch den Laser induzierte Fluoreszenzspektrum. Die prinzipielle Unabhängigkeit der unten vorgestellten Vorrichtungen und Problemlösungen von diesen beispielhaften Einschränkungen wird jedoch ausdrücklich hervorgehoben.
Aus der Medizin bekannte Identifikationsverfahren beruhen im wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Vorgehensweisen: (1) Aus dem gesamten Fluoreszenzspektrum werden ein oder mehrere Peaks ausgewählt, die bestimmten Elementen, Enzymen oder Atomverbindungen zugeordnet werden können. Die Höhe des Peaks und damit die Intensität der zugrundeliegenden Strahlung hängt mit der Konzentration des jeweiligen Elements etc. zusammen. Dabei kann eine signifikante Erhöhung des Peaks in entartetem gegenüber nichtentartetem Gewebe festgestellt werden. Damit wird eine Ja/Nein-Entscheidung wie Karzinom/nicht-Karzinom bei ansonstem bekannten Gewebe ermöglicht (vgl. z.B. J. Beuthan et al., Untersuchungen zur NADH-Konzentrationsbestimmung mittels optischer Biopsie, in: Lasermedizin Vol. 10, S. 57-63, Stuttgart 1994). Häufig wird bei ähnlichen Verfahren die Fluoreszenz durch Applikation von Farbstoffen verstärkt. Die -neben weiteren physikalischen und biologischen Störfaktoren- wesentlichen Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, daß es nur Ja/Nein- Entscheidungen zuläßt und Laborbedingungen voraussetzt. So muß beispielsweise der Abstand zwischen der Probe und dem Laseremittor bekannt sein, da die Höhe des Peaks auch hiervon abhängt. Ferner ist die Einfärbung von lebenden Gewebe im Körper aufgrund möglicher Nebenwirkungen wie Allergien nur bedingt praktikabel. (2) Aus dem gesamten Fluoreszenzspektrum werden im Verfahren des Paarvergleichs Bereiche selektiert, welche sich nach "ratio"-Bildung signifikant voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht wiederum eine Differenzierung zwischen entartetem und nicht entartetem Gewebe gleichen Typs. Das Auffinden solcher Stellen bedeutet jedoch einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand. Eine Schnellanalyse ist nicht möglich. Im Ergebnis können wiederum nur Unterscheidungen wie entartet/nicht-entartet bei ansonsten bekanntem Gewebe getroffen werden (vgl. z.B. Fluorescence Spectroscopy: Ramanujam et al., A Diagnostic Tool for Cervical Intraepithelial Neoplasia (CIN), in: Gynecologic Oncology 52, 31-38, Austin/Texas 1994). Es entspricht demnach dem Stand der Technik, die Rückstrahlspektroskopie zur "Ja/Nein"-Untersuchung bekannter Gewebe hinsichtlich krankhafter Veränderungen zu verwenden. Die Untersuchung muß grundsätzlich in einem von einer eventuell notwendigen Behandlung getrenntem Schritt erfolgen. Dabei ist ein konstanter oder zumindest ein bekannter Abstand zwischen Laseremittor und Probe häufig Voraussetzung für einen Vergleich der Spektren.
Es ist bisher kaum möglich, festzustellen, aus welchen Gewebearten eine unbekannte Probe besteht. Und es ist nicht möglich, im "on-line"-Verfahren unter veränderlichen, unbekannten Abständen zwischen Ausgangsemittor und Probe beispielsweise festzustellen, welche Gewebeart konkret abgetragen wird, bzw. den Laser dahingehend zu steuern, daß automatisch nur die gewünschte Gewebeart abgetragen wird. Allgemeiner ausgedrückt ist es demzufolge nicht möglich, im medizinischen wie allgemein technischen Bereich laufende Vorgänge mittels der Rückstrahlspekroskopie, insbesondere der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie, synchron zu überprüfen und gegebenenfalls steuernd einzugreifen. Desweiteren ist es nicht möglich, mehr als zwei Dimensionen wie Wellenlänge und Zeit oder Wellenlänge und Intensität gleichzeitig zu berücksichtigen. Dies führt zu Zeitverlusten, beschränkt die Einsatzmöglichkeiten der Rückstrahlspektroskopie und verursacht den aufwendigen Untersuchungsabläufen entsprechend hohe Kosten.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine rückstrahlspektroskopische Vorrichtung zu schaffen, welche prinzipiell in der Lage ist, während eines beliebigen Einsatzes einer Quelle für elektromagnetische Wellen, etwa eines Lasers, eine beliebige unbekannte Probe zu identifizieren und zu analysieren.
Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch den Gegenstand des Anspruchs 1 erreicht, also durch eine rückstrahlspektroskopische Vorrichtung, mit einer Einrichtung zur Erzeugung und gezielten Weiterleitung elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe, Mitteln zur Aufnahme und Digitalisierung des resultierenden Rückstrahlspektrums und einer Analyseeinrichtung. Die Analyseeinrichtung ist derart ausgelegt, daß sie einen Zugriff hat auf eine oder mehrere spezifische Mittelwertkurven, jeweils gebildet aus normierten Rückstrahlspektren bekannter gleichartiger Proben, eine oder mehrere zugehörige, auf den Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve basierende Wichtungskurven und dazu gehörige, für die jeweilige Probenart charakteristische Grenzen für gewichtete Fehler. Sie wertet die ihr von dem Aufnahme-/Digitalisierungsmittel zugeführten digitalisierten Spektren wie folgt aus: sie normiert die ihr zugeführten Spektren in gleicher Weise, wie bei den ihr zur Verfügung stehenden spezifischen Mittelwertkurven geschehen, und vergleicht sie mit den vorhandenen Mittelwertkurven, sie wichtet etwaige Abweichungen von den zur Verfügung stehenden Mittelwertkurven mit der jeweiligen Wichtungskurve und sie stellt fest, ob die gewichtete Abweichung innerhalb oder außerhalb der jeweils dazugehörigen charakteristischen Grenze für gewichtete Fehler liegt und ob somit das digitalisierte Spektrum der zugehörigen Probenart zuzuordnen ist oder nicht. Die gewonnene Information gibt sie über eine Ausgabeeinrichtung aus.
Gegenüber dem Stand der Technik bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 1 vor allem den Vorteil der Möglichkeit einer "on line" Gewebe- oder Materialienidentifizierung und -analyse. Dabei kann ein beliebig großer Ausschnitt der jeweiligen Meßkurven berücksichtigt werden. Die bisher übliche aufwendige und nur ansatzweise mögliche Zuordnung einzelner Kurvenabschnitte zu zugrundeliegenden Elementen oder Enzymen wird durch eine globale Betrachtung ersetzt. Hierbei können gleichzeitig die Dimension der Zeit, der Intensität und der Wellenlänge in das Analyseverfahren eingehen. Dadurch läßt sich die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Analyse steigern. Die gesamte Auswertung der Messungen geschieht vollautomatisch und erfordert vom Benutzer diesbezüglich keinerlei Sachverstand. Die bisher übliche naturwissenschaftliche Interpretation der gemessenen Spektren wird durch einen, der menschlichen Verstandestätigkeit aufgrund seiner enormen Komplexität grundsätzlich unzugänglichen, vergleichenden technischen Auswertevorgang ersetzt. Die beispielsweise für den Behandler wichtigen Aussagen über das zu behandelnde Gewebe, wie z.B. Art des Gewebes, entartet/nicht-entartet, verändert/nicht verändert, Grad eines Heilungsverlaufs etc. können z.B. durch Fachwörter oder Symbole angezeigt oder akustisch mitgeteilt werden und ermöglichen eine ständige objektive, vom Behandler unabhängige und reproduzierbare Kontrolle über einen laufenden Eingriff.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Analyseeinrichtung für einen Lernmodus ausgelegt und verfügt über eine Eingabemöglichkeit für die gewünschten Kennzeichen der zu lernenden Probenarten und einen Speicher für die gelernten Probenarten (Anspruch 2). Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 2 werden im Lernmodus durch Testmessungen an be kannten Proben die benötigten Mittelwert- und Wichtungskurven, sowie die dazugehörigen, für die jeweilige Probenart charakteristischen Grenzen für den gewichteten Fehler von der Analyseeinrichtung ermittelt, indem die jeweils zu einer Probenart gehörigen Testspektren normiert, gemittelt und anhand der Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve gewichtet werden, anhand der auftretenden gewichteten Fehler der Testmessungen eine für die jeweilige Probenart Charakteristisehe Grenze für den gewichteten Fehler ermittelt wird und die erzielten Ergebnisse gespeichert werden (Anspruch 3).
Eine solche autodidaktische Lernfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht auch und gerade dem technischen Laien eine problemlose Anpassung an bzw. Erweiterung des gewünschten möglichen Anwendungsbereichs. Insbesondere besteht die Möglichkeit, beispielsweise bei der Entfernung eines Tumors zunächst das konkret gemeinte Gewebe im "sicheren" Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Lernmodus beizubringen, um dann eine möglichst exakte Abtragung von Randbereichen durchführen zu können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gibt die Ausgabeeiήrichtung für die gewonnene Information selbige auch oder ausschließlich als Steuersignale für ein oder mehrere Geräte zur Behandlung der Probe aus und an die Geräte weiter (Anspruch 4). Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 4 ist die Einrichtung zur Erzeugung und gezielten Weiterleitung elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe als Laser zur Behandlung oder Abtragung von Gewebe oder anderen Materialien ausgebildet, und die Analyseeinrichtung wandelt die Identifikationen bzw. Analysen der jeweils betroffenen Probe in Steuersiignale für den entsprechenden Weiterbetrieb des Lasers um (Anspruch 5). Der Gegenstand des Anspruches 4 oder 5 erlaubt beispielsweise eine weitgehende Automatisierung operativer Eingriffe. So besteht etwa die Möglichkeit einen Laser geradlinig über einen Gewebekomplex zu steuern und vorher festzulegen, daß dabei nur eine bestimmte Gewebeart abgetragen wird. Zu diesem Zweck kann der Laser so gesteuert werden, daß er selbstständig zwischen schwacher, zur Analyse ausreichender Stärke und zum Abtragen von Gewebe benötigter Stärke hin- und herschaltet. Durch eine derart präzise Abtragung von Geweben wird z.B. ein enormer Fortschritt im Bereich der minimal invasiven Chirugie erreicht. Beispielsweise im Bereich der Angioplastie und anderen wichtigen medizinischen Bereichen besteht dringender Bedarf nach solchen Möglichkeiten. In hochsterilen Bereichen könnten Bakterien erkannt und durch den Laser abgetötet werden. Der Flexibilität der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind schließlich auch außerhalb des Bereichs der Medizin keine Grenzen gesetzt. Denkbar wäre beispielsweise eine automatisierte Mülltrennung, die auf diesem Verfahren basiert, oder eine Automatisierung der Fleischbeschauung in Schlachthöfen, etc., wobei z.B. jeweils Geräte zur Aussortierung unerwünschter Proben gesteuert werden könnten.
Nachstehend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und der beigefügten schematischen Zeichnung noch näher erläutert. Dabei wird wiederum -um eine anschauliche Darstellung zu gewährleisten- als Quelle elektromagnetischer Strahlung ein Laser verwendet und das laserinduzierte Fluoreszenzspektrum ausgewertet. Auf die selbstverständlich vorhandene prinzipielle Möglichkeit, auch andere elektromagnetische Strahlungen, etwa Maser, lichtemittierende Dioden, Hochdrucklampen oder hochgradig parallel strahlende Lampen, im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verwenden, sofern dies zweckdienlich sein sollte, wurde bereits verwiesen. In der Zeichnung zeigt:
Fig.1 eine erste Ausführungsform mit einem gepulsten Laser; Fig.2 eine zweite Ausführungsform mit einem ungepulsten Laser;
Fig.3 eine der ersten Ausführungsform entsprechende dritte Ausführungsform, in welcher ein Gerät zur Behandlung der Probe gesteuert wird; und
Fig.4 eine der ersten Ausführungsform entsprechende vierte Ausführungsform, die den Laser steuert.
In den Fig. 1-4 wird ein Laserstrahl im Block 1 erzeugt und über einen Ausgang 3 in einen Leiter für elektromagnetische Wellen, hier ein erster Lichtleiter 4 in Form einer Glasfaser, eingespeist. Dessen Ausgang 5 ist der derart angelegt, daß er das Bestrahlen einer Probe 6 mit dem Laserstrahl ermöglicht. Das Rückstrahllicht, im vorliegenden Beispiel das Fluoreszenzlicht, wird in Fig.l über den Lichtleiterausgang 5 und den Lichtleiter 4 in den Laserausgang 3 reflektiert und, bevor es den Block 1 erreicht, durch einen Strahlteiler 2 über einen zweiten Lichtleiter
7 in ein rückstrahlspektroskopisches System 8 geleitet. Dort wird das Fluoreszenzsspektrum ermittelt und digitalisiert. Um Störungen des Fluoreszenzlichts durch Laserreflexionen zu vermeiden, wird der Laserstrahl durch eine "Trigger"-Einrichtung 11 derart gepulst, daß das Wegstück zwischen dem Strahlungsteiler 2 und dem Lichtleiterausgang 5 nie gleichzeitig von Laser- und Fluoreszenzlicht durchwandert wird. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Durchmesser des Lichtleiterausgangs 5 minimiert werden kann. Sofern dies keine Bedeutung hat oder wenn ein ununterbrochener Laserstrahl gewünscht wird, ohne daß Störef- fekte auftreten und berücksichtigt werden müssen, können wie in Fig. 2 eine oder mehrere dritte Lichtleiter 12 vorgesehen sein, die das Fluoreszenzlicht direkt an das rückstrahlspektroskopische System 8 weiterleiten. In den Fig. 1-4 gibt das rückstrahlspektroskopische System
8 das digitalisierte Spektrum an eine Analyseeinrichtung 9, beispielsweise eine Einrichtung zur Datenverarbeitung, zur Auswertung weiter. Im folgenden werden zunächst die Abläufe dieser Auswertung und die des Lernvorgangs schematisch dargestellt. Im Anschluß wird anhand einer konkreten Versuchsdurchführung eine mögliche konkrete mathematische Ausformulierung hinzugefügt.
Im ersten Schritt des Auswertevorgangs wird das eingegangene Spektrum normiert. Eine geeignete Form der Normierung ist hierbei die Flächennormierung. Sodann wird das normierte Spektrum mit den vorhandenen und in gleicher Weise normierten Mittelwertkurven verglichen. Zu diesem Zweck wird jeweils die Abstandkurve des Spektrums von der Mittelwertkurve berechnet (diese gibt zu jeder Wellenlänge den Abstand, und zwar vorzugsweise den relativen Abstand, alternativ aber auch beispielsweise den absoluten Abstand zwischen gemessenen Spektrum und Mittelwertkurve an), und im Anschluß anhand der zur jeweiligen Mittelwertkurve gehörigen Wichtungskurve der gewichtete Fehler des Meßspektrums gegenüber der Mittelwertkurve ermittelt. Dabei erhält man den gewichteten Fehler, indem man die jeweilige Abstandkurve mit der entsprechenden Wichtungskurve multipliziert. Sodann wird aus der Lage der gewichteten Fehler relativ zu den für die einzelnen Probenarten charakeristischen Fehlergrenzen festgestellt, welcher Probenart die untersuchte Probe entspricht (oder ob sie keiner der erfaßten Probenarten entspricht). Dabei wurde im Versuch schon bei statistisch schlechten (nur auf jeweils zehn Testmessungen basierenden) Mittelwertkurven eine Wahrscheinlichkeit der fehlerfreien Zuordnung von etwa 90% erreicht. Die so gewonnen Daten (Gewebeart, Zustand des Gewebes, etc.) werden mithilfe einer Ausgabeeinrichtung 10, wie einem Monitor oder einer akustischen Anlage, dem Behandler mitgeteilt. Dabei können beispielsweise Fachwörter oder Symbole verwendet werden.
Um eine Ausfuhrungsform gemäß Fig. 1 oder 2 im Lernmodus zu verwenden, wird die Analyseeinrichtung 9 über ein Umschal temittel auf den Lernmodus und eine Eingabemöglichkeit für die gewünschten Kennzeichen für die einzugebenden Proben umgeschaltet. Der eigentliche Lernvorgang geschieht nach folgendem Ablauf: An bekannten Proben werden Testmessungen durchgeführt und die dazugehörigen Kennzeichen für die jeweilige Probenart eingegeben. Die resultierenden Fluoreszenzspektren werden normiert. Aus allen zu einer Probenart gehörigen normierten Spektren wird eine Mittelwertkurve gebildet. Sodann werden vorzugsweise die Standardabweichungskurven -unter Berücksichtigung der relativen Abstände- zu den jeweiligen Mittelwertkurven berechnet. Aus den so erhaltenen Abweichungskurven werden Wichtungskurven ermittelt. Eine besonders geeignete Wichtung ist hierbei proportional zum Quadrat des Abstandes. Aus der Wichtungskurve und der Standardabweichungskurve werden die zugehörigen gewichteten Fehler berechnet. Aus der Lage der gewichteten Fehler wird eine untere Fehlergrenze etabliert. Ein geeignetes Kriterium hierfür besteht beispielsweise darin, einen oder wenige (relativ zur Anzahl der Testmessungen x%) "Ausreißer" zuzulassen, und den nächstfolgenden gewichteten Fehler als charakteristische Fehlergrenze festzusetzen. Die so gewonnenen Daten werden automatisch in der Analyseeinrichtung 9 gespeichert und können mit den üblichen Datenübertragungsmitteln beliebig auf andere Einrichtungen zur Datenverarbeitung übertragen werden.
Zur Darstellung des Verfahrens im Besonderen wird eine konkrete Versuchsdurchführung dargestellt:
Als Testobjekte wurden Kiefergelenkprobenvon frisch geschlachteten Schweinen herangezogen. Ziel war es, sechs vertchiedene Gewebearten zu unterscheiden. Es waren dies Muskel, Diskus, Kapsel, Spongiosa, Cortikalis und Knorpel.
Nersuchsbeschreibung... ExcimerLaser, 308nm, 110ns, 140 milli Joule
Es wurden 60 Messkurven aufgenommen, also pro Gewebeart 10. Alle 60 Kurven wurden normiert, dann wurden, mit Hilfe dieser Νormkurven, die 10 charakteristischen Mittelwertkurvenfür die värschiedenen Gewebe ermittelt.
Imnächsten Schritt wurden zu diesenMittelwertkurvendiebezogenen Standardabweichungskurvenerrechnet.Diesergab fürjedes TestgewebeeineAbweichungskurve. Mit der Abweichurjgskurve konnte die Wichtungsfunktion ermittelt werden.
Dabei wurde die Wichtungproportional zum Quadrat des Abstandes vorgenommen:
Figure imgf000013_0001
Wird die bezogene Standardabweichung größer als ε gilt:
Figure imgf000013_0002
t«k(λ) = 0 Jetzt wurden die gewichteten Fehler berechnet:
Figure imgf000013_0003
Damit ergaben sich für die sechs Gewebearten je zehn gewichtete Fehler. Aus der Lage der Fehler kann man eine Untere Fehlergrenze etablieren. In dem hier gerechneten Fall wurde gesagt: Ein Ausreißer ist erlaubt, d.h. der zweitgrößte Fehler wurde zur Fehlergrenze gemacht.
Der Test liefdann wie folgt ab:
Eine zu prüfende Kurve wurde eingelesen und normiert. Dann wurden für die Kurve alle sechs gewichteten Fehler berechnet:
Figure imgf000013_0004
Wobei G(i) der gewichtete Fehler bezüglich Objekt i ist, und g(λ) die normierte zu prüfende Kurve.
Aus der Lage der gewichteten Fehler relativ zu den Fehlergrenzen J. konnte dannmitetwa90 ProzentigerSicherheitermitteltwerden,welchesGewebevorlag. Das bedeutet, daß das Gewebe zu 10 Prozent nicht erkannt wurde obwohl es vorlag, und das andersherum das Gewebe mit 10 Prozent Wahrscheinlichkeit fälschlicherweisefür ein anderes gehalten wurde.
Dreidimensional
Wenn man gleichzeitig drei Dimensionen berücksichtigt, nämlich die Intensität, die Wellenlänge und die zeitliche Entwicklung des Rückstrahlspektrums, dann sind die folgenden Änderungen erforderlich. Dabei werden die Wichtungen, die bezogenen Abweichungen usw. als Flächen über der Wellenlänge und der Zeit dargestellt. Die Formeln haben dann dieselbe Gestalt wie oben - nur, daß als weitere Abhängigkeit die Zeit vorkommt.
Die Formeln im Einzelnen:
Die Wichtungwird zu:
)
Figure imgf000014_0001
J \ )
Die gewichteten Fehler der Testgewebe berechnen sich zu:
Figure imgf000014_0002
Damit lassen sich wieder die charakteristischen Fehlergrenzen Fi berechnen, die dann wiedermit den gewichtetenFehlerneinerunbekannten Probebzgl. eineszu prüfenden Objekts verglichen werden. Diese gewichteten Fehler G(i) berechnen sichwie folgt.
Figure imgf000014_0003
Damit läßt sich auch der zeitliche Einfluß bei der Fluoreszenzuntersuchung als Information für die Mustererkennung einbeziehen. fij - Normierte Messkurve einer Eichprobe (i: Objektnummer) gλ - NormierteMesskurve einer Probe
fmi - Mittelwertkurve von Eichobjekt i
Δfij- (fij - fmi)
ωi(λ) - Wichtkurvevon Objekt i
ωi(λ,t) - Wichtkurvevon Objekt i
Fi - Fehlergrenze bzgl. Objekt i
G(i) - gewichtete Fehler aus g(λ) bzgl Objekt i
ε - Sigzdnkanzschranke (0,05)
λ - Wellenlaenge
t - Zeit
j - Nummer der Eichproben eines Objekts i
i - Nummer des Objekts
In Fig. 3 bzw. 4 wird eine Ausfuhrungsform gemäß Fig. 1 dargestellt, die zur automatischen Steuerung eines Gerätes 13 zur Behandlung der Probe 6 bzw. zur Steuerung des die Probe untersuchenden und behandelnden Lasers 1 über eine Rückverbindung 14 verwendet wird. Dabei können das oder die Geräte 13 über die Leitung 15 beispielsweise zur mechanischen, aber gleichwohl gezielten Abtragung von Materialien oder zum gezielten Aussortieren unerwünschter Materialien beispielsweise bei der Mülltrennung angelegt sein. Jedes beliebige Gerät 13 erhält somit durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein visuelles Wahrnehmungsvermögen verbunden mit einer entsprechenden Reaktionsfähigkeit. Im Falle der Selbststeuerung des Lasers 1 besteht beispielsweise die bereits erwähnte Möglichkeit, zwischen der reinen Analyse dienlicher, schwacher Laserstärke, und zugleich der Abtragung dienlicher, großer Laserstärke hin- und herzuschalten. Auf diese Weise können beispielsweise in der Medizin ungewollte Verletzungen versehentlich vom Laser getroffener Gewebe vermieden und somit eine erheblich unkompliziertere Handhabung des Lasers erreicht bzw. eine Automatisierung des Eingriffs ermöglicht werden. Für diese Zwecke ist es notwendig, daß die Analyseeinrichtung die gewonnenen Daten in entsprechende Steuerungssignale umwandelt und an die zu steuernden Geräte übermittelt.

Claims

Ansprüche
1. Rückstrahlspektroskopische Vorrichtung, mit
a) einer Einrichtung zur Erzeugung (1) und gezielten Weiterleitung (3-5) elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe
(6);
b) Mitteln (8) zur Aufnahme und Digitalisierung des resultierenden Rückstrahlspektrums; und c) einer Analyseeinrichtung (9), die derart ausgelegt ist, daß sie
c . 1 ) e i n e n Z u g r i f f h a t a u f c.1.1) eine oder mehrere spezifische Mittelwertkurven, jeweils gebildet aus normierten Rückstrahlspektren bekannter gleichartiger
Proben;
c.1.2) eine oder mehrere zugehörige, auf den
Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve basierende Wichtungskurven; und c.1.3) dazu gehörige, für die jeweilige Probenart charakteristische Grenzen für gewichtete Fehler;
c.2) die ihr von dem Aufnahme-/Digitalisie- rungsmittel (8) zugeführten digitalisierten
Spektren wie folgt auswertet:
c.2.1) sie normiert die ihr zugeführten Spektren in gleicher Weise, wie bei den ihr zur Verfügung stehenden spezifisehen Mittelwertkurven geschehen, und vergleicht sie mit den vorhandenen Mittelwertkurven; c.2.2) sie wichtet etwaige Abweichungen von den zur Verfügung stehenden Mittelwertkurven mit der jeweiligen Wichtungskurve; und
c.2.3) sie stellt fest, ob die gewichtete Abweichung innerhalb oder außerhalb der jeweils dazugehörigen charakteristischen Grenze für gewichtete Fehler liegt und ob somit das digitalisierte Spektrum der zugehörigen Probenart zuzuordnen ist oder nicht; und
c.3) die gewonnene Information über eine Ausgabeeinrichtung (10) ausgibt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Analyseeinrichtung (9) für einen Lernmodus ausgelegt ist und über eine Eingabemöglichkeit für die gewünschten Kennzeichen der zu lernenden Probenarten und einen Speicher für die gelernten Probenarten verfügt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 , bei welcher im Lernmodus durch Testmessungen an bekannten Proben die benötigten Mittelwert- und Wichtungskurven, sowie die dazugehörigen, für die jeweilige Probenart charakteristischen Grenzen für den gewichteten Fehler von der Analyseeinrichtung (9) ermittelt werden, indem
a) die jeweils zu einer Probenart gehörigen Testspektren normiert, gemittelt und anhand der Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve gewichtet werden;
b) anhand der auftretenden gewichteten Fehler der Testmessungen eine für die jeweilige
Probenart charakteristische Grenze für den gewichteten Fehler ermittelt wird; c) die erzielten Ergebnisse gespeichert werden.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Ausgabeeinrichtung (10) die gewonnene Information auch oder ausschließlich als Steuersignale für ein oder mehrere Geräte (13) zur Behandlung der Probe (6) aus- und an die Geräte (13) weitergibt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Einrichtung zur Erzeugung (1) und gezielten Weiterleitung (3-5) elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe (6) als Laser zur Behandlung oder Abtragung von Gewebe oder anderen Materialien ausgebildet ist, und die Analyseeinrichtung (9) die Identifikationen bzw. Analysen der jeweils betroffenen Probe (6) in Steuersignale für den entsprechenden Weiterbetrieb des Lasers (1) umwandelt.
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