WO2003082089A1 - Verfahren und anordnung zur optischen messung von schwellungszuständen der nase - Google Patents

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WO2003082089A1
WO2003082089A1 PCT/DE2003/001146 DE0301146W WO03082089A1 WO 2003082089 A1 WO2003082089 A1 WO 2003082089A1 DE 0301146 W DE0301146 W DE 0301146W WO 03082089 A1 WO03082089 A1 WO 03082089A1
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optical
nose
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Uwe Hampel
Eckhard Schleicher
Eike Gunter WÜSTENBERG
Uwe Oehmichen
Karl-Bernd Hüttenbrink
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Technische Universität Dresden
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/41—Detecting, measuring or recording for evaluating the immune or lymphatic systems
    • A61B5/411—Detecting or monitoring allergy or intolerance reactions to an allergenic agent or substance
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B5/145—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
    • A61B5/1455—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 using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • A61B5/14551—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 using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters for measuring blood gases
    • A61B5/14552—Details of sensors specially adapted therefor

Definitions

  • the invention relates to the fields of medicine and device construction and relates to a method and an arrangement for the optical measurement of swelling of the nose, which can be used, for example, to measure nasal obstruction after allergen provocation.
  • allergic rhinitis is diagnosed by taking a symptom score (sneezing, secretion, remote symptoms such as tears in the eyes) and by measuring nasal obstruction after allergen challenge using rhinomanometry (Clement et al .: “Rhinomanometry - a review", ORL J. Otorhinolaryngol. Relat. Spec. 46, 173-91, 1984).
  • the disadvantage of rhinomanometry here is that the measurement cannot be carried out during allergen application. With severe nasal obstruction, rhinomanometry is perceived by the patient as very unpleasant. Incorrect measurements in uncooperative patients occur frequently.
  • a further possibility for determining the swelling state of the nose and in particular of the nasal mucosa is acoustic rhinometry (Fisher: “Acoustic rhinometry", Clin. Otolaryngol. 22, 307-17, 1997). These measurements have a relatively wide range of results. Adequate Accuracy is only achieved for the front sections of the nose, and none can during the measurement Medication or allergen provocation take place. A continuous measurement is not possible with this method either.
  • the object of the invention is to provide a method and an arrangement for the optical measurement of swelling conditions of the nose, with which a largely objective measurement of swelling conditions of the nose is made possible, in particular during the performance of provocation tests.
  • the arrangement according to the invention for the optical measurement of swelling states of the nose consists of a basic device with light generating components and light detection components as well as associated transmitter electronics and receiver electronics and controllers. Furthermore, at least one optical connection is realized between the basic device and an optical transmission element, the transmission of the light generated by the light generating components into the optical connection to the transmission element being implemented by optical elements. Furthermore, there is at least one optical connection between an optical receiving element and the light detection components. Outside the basic device there are transmitting and receiving elements, which are arranged on an application part. The application part realizes an arrangement of the transmitting and receiving elements that enables the light emitted by the transmitting elements to pass through the swellable tissue of at least one side of the nose to the receiving element. Furthermore, the application part can be positively applied to at least the upper part of the nose.
  • the swelling of the nasal tissue is detected optically.
  • the nasal tissue is covered from the outside with a Irradiated light source, which is emitted by a transmitting element and by a detector, a receiving element, the scattered light passing through the tissue is detected either on the same or on the opposite side of the nose.
  • the light passes through a number of layers of tissue such as the skin, muscles, mucous membrane, bones, cartilage and the airways.
  • Part of the permeated tissue is characterized by swelling ability, in particular the nasal mucosa lying above the bones of the nasal turbinates. In this part of the tissue, there is an increase in blood volume during the swelling due to the inflow of blood into the erectile tissue.
  • the inflowing blood is primarily arterial in nature and therefore normally at least 95% saturated with oxygen. Furthermore, in the event of edema possibly associated with the swelling, there is an increase in the volume of tissue water. It is therefore advantageous to carry out the irradiation spectrometrically in order to be able to measure the volume fractions of the oxygenated and deoxygenated hemoglobin and of the tissue water separately and quantitatively. This can be done either by using a white light source and a spectrometer detector (e.g. diode line spectrometer) or by using several light sources with discrete radiation spectra (LEDs, laser diodes).
  • a white light source and a spectrometer detector e.g. diode line spectrometer
  • LEDs discrete radiation spectra
  • An advantage of the arrangement according to the invention is that it is characterized by a non-invasive application from the outside and by simple handling.
  • Fig. 2 shows two variants of an application part with active transmit
  • FIG. 3 an application part and its fixation on the head and nose
  • Fig. 4 a basic device of an arrangement according to the invention
  • Fig. 5 is a schematic representation of the nose cross-section, showing the
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the extinction measured values in the course of a
  • the arrangement according to the invention consists at least of a basic device 12 with the transmitter 15 and receiver electronics 16 required for the fulfillment of the measurement task and an application part 1 which is in direct contact with the nasal tissue during the measurement.
  • An application part 1 is shown in Fig. 1 a and b. It consists of a clasp-shaped body, the two sides of which can be positively attached to the nostrils.
  • the light-emitting element, optical transmitter element 2 is arranged on one side of the application part 1, and the light-receiving element, optical receiver element 3 is arranged on the opposite side.
  • These are either designed as discrete radiation sources and detectors, the optical axes of which are oriented in the direction of the tissue (FIG.
  • the application part 1 is fixed with the aid of a forehead carrier band 8 attached to the head. This ensures that the application part 1 is firmly positioned on the bridge of the nose during the measurement.
  • the application part is connected to the carrier tape 8 via a bracket 10.
  • the connection is designed so that an exact positioning of the application part on the bridge of the nose, e.g. B. by a lockable ball joint 9 or a flexible metal hose is possible. Further relevant variants of the arrangement according to the invention can be designed as follows:
  • the appliqué part is adhesively attached to the nose; the appliqué part is pressed directly onto the nose using an elastic band or the circumference can be adjusted to the size of the head; the appliqué part is designed as a frame similar to glasses, which sits on the root of the nose and in which the optical transmission and reception elements are pressed against the tissue of the nose by gravity;
  • the suppression and / or calibration of extraneous light influences is also important. It is therefore advantageous to use optical filters or to cover the measurement site during the measurement with an opaque cap, which, for. B. can be fixed as a plastic cap with on the carrier tape and if necessary during the examination is folded over the measuring field.
  • the basic device 12 shows a basic device 12 with device-internal light generation components 13 and light detection components 14, to which a previously described application part 1 can be connected via the optical connections 6, 7.
  • the basic device 12 consists of transmitter electronics 15 for the optical light generating components 13, receiver electronics 16 and a controller 17, to which further devices can be connected via a data interface.
  • the transmitter electronics 15 has at its output a plurality of light generating components 13, the light of which is bundled by an optical element 18. The bundled light is introduced into an optical connection 6.
  • a light detection component 14, into which light from the optical connection 7 is incident, is connected to the input of the receiver electronics 16.
  • a spectrometric measurement is advantageous for the optical measurement of swelling conditions and the differentiation of swelling causes.
  • Light sources with a limited spectrum LEDs, semiconductor lasers
  • a photodetector that is sufficiently sensitive to the selected spectral range semiconductor photodetector, photomultiplier
  • a white light source and a spectrometrically resolving detector can be used.
  • the aim of the measurement is the acquisition of light attenuation values (optical density of the tissue) at individual wavelengths of interest over time. This results from the relationship
  • ls ( ⁇ , t) denote the light intensity emitted at the transmitting element and lü ( ⁇ , t) denote the light intensity arriving at the receiving element at the wavelength ⁇ and at time t.
  • the extinction E ( ⁇ , t) is generally a function of light scattering and light absorption in tissue and thus provides a measurement for the geometric and optical change in the tissue.
  • the relationship between blood and tissue water gain can be represented.
  • special optical measurement techniques it is possible to determine the scattering and absorption properties of the tissue separately. This requires photon transit time measurements using a high-frequency modulation technique (intensity modulation of the light source (s) and amplitude and phase measurement of the receiver signal) or a pulse laser technique (application of short laser pulses and time-resolved measurement of the receiver signal).
  • a high-frequency modulation technique intensity modulation of the light source (s) and amplitude and phase measurement of the receiver signal
  • pulse laser technique application of short laser pulses and time-resolved measurement of the receiver signal.
  • the application part After preparation of the person to be examined, the application part is fixed on the bridge of the nose near the root of the nose so that the optical transmission and reception elements on the tissue face each other and the optical radiation penetrates as much swellable tissue as possible inside the nose (Fig. 5). Then a photometric signal that is as optimal as possible is set with the aid of manual, automatic or semi-automatic adjustment of source intensity (s) and / or detector sensitivity in a range suitable for the measurement by means of optomechanical, electronic and / or software technology options. The data acquisition is then started manually by the operator. Controlled by the controller 17 internal to the basic unit, there is a repeated sequential switching of the radiation sources by the transmitter electronics 15 and, at the same time, the detection of the detector measured values by the receiver electronics 16.
  • FIG. 6 schematically shows absorbance measurements in the course of a swelling.
  • the spectral light attenuation values in the unprovoked state represent the baseline of the measurement. If this is recorded in a time window of 1 to 2 minutes, an allergenic substance is administered by atomization into one or both nasal cavities and the time of measurement, e.g. B. recorded by pressing a foot switch at the time of administration tp. With an allergic reaction, swelling of the nasal tissue then begins, which causes a demonstrable increase in the spectral absorbance. 6 shows spectral extinction values, which were standardized at the start time tp for better comprehensibility. At the time t ⁇ , the swelling reaches a steady state at which no further swelling can be detected. The swelling subsides only after a time t »t E -tp. Information that can be used diagnostically can be derived from the time course of the spectral extinction values. These include in particular:
  • the increase ⁇ E ( ⁇ ) E ( ⁇ , t E ) -E ( ⁇ , t P ) of the absorbance for a wavelength as a measure of the intensity of the swelling; the extinction value difference ⁇ E ( ⁇ ) - ⁇ E ( ⁇ 2 ) at different wavelengths as a measure of the increase in the volume fractions of different tissue constituents relative to one another; the time difference the reaction from the time of provocation to the final stationary state as a measure of the swelling rate and the shape of the curves E ( ⁇ , t) as an indicator of the physiological course of the swelling.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Vorrichtungsbaus und betrifft ein Verfahren und eine Anordnung, welche beispielsweise zur Messung der nasalen Obstruktion angewandt werden kann. Die Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit dem eine Messung von Schwellungszuständen der Nase ermöglicht wird. Gelöst wird die Aufgabe durch eine Anordnung, bestehend aus einem Grundgerät (12) mit Lichterzeugungskomponenten (13) und Lichtdetektionskomponenten (14) und ausserhalb des Grundgerätes (12) anordenbaren Sende- und Empfangselementen (2,3), die auf einem Applikationsteil (1) angeordnet sind. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren, bei dem Licht von einem optischen Sendeelemente (2) ausgesandt wird, und im Bereich des Austritts des Lichtes aus der Nasenseite ein optisches Empfangselement (3) das austretende Licht aufnimmt und die eingehenden Werte aufgezeichnet und daraus diagnostisch verwertbare Parameter errechnet werden.

Description

Verfahren und Anordnung zur optischen Messung von Schwellungszuständen der Nase
Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Medizin und des Vorrichtungsbaus und betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Messung von Schwellungen der Nase, welche beispielsweise zur Messung der nasalen Obstruktion nach Allergenprovokation angewandt werden kann.
Stand der Technik
Aus medizinischer Sicht besteht ein Erfordernis für eine Objektivierung der Messung des Schwellungszustandes und des Schwellungsverlaufes z. B. bei allergischen Reaktionen, die beispielsweise beim nasalen Provokationstest hervorgerufen werden.
Die Diagnostik einer allergischen Rhinitis erfolgt heutzutage durch das Erheben eines Symptomscores (Niesreiz, Sekretion, Fernsymptome wie Augentränen) sowie durch die Messung der nasalen Obstruktion nach Allergenprovokation mit Hilfe der Rhinomanometrie (Clement et al.: „Rhinomanometry - a review", ORL J. Otorhinolaryngol. Relat. Spec. 46, 173-91 , 1984). Nachteil der Rhinomanometrie hierbei ist, dass die Messung nicht während der Allergenapplikation durchgeführt werden kann. Bei starker nasaler Obstruktion wird die Rhinomanometrie vom Patienten als sehr unangenehm empfunden. Fehlmessungen bei unkooperativen Patienten treten häufig auf.
Eine weitere Möglichkeit der Bestimmung des Schwellungszustandes der Nase und insbesondere der Nasenschleimhaut ist die akustische Rhinometrie (Fisher: „Acoustic rhinometry", Clin. Otolaryngol. 22, 307-17, 1997). Diese Messungen haben eine relativ grosse Streubreite der Ergebnisse. Eine ausreichende Genauigkeit wird nur für die vorderen Nasenabschnitte erreicht. Während der Messung kann keine Medikamenten- bzw. Allergenprovokation erfolgen. Eine kontinuierliche Messung ist auch bei diesem Verfahren nicht möglich.
Weiterhin ist mit beiden Verfahren keine Aussage möglich, ob eine nasale Schwellung auf einer Änderung der MikroZirkulation oder einer Ödembildung beruht.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zur optischen Messung von Schwellungszuständen der Nase anzugeben, mit dem und der eine weitgehend objektive Messung von Schwellungszuständen der Nase, insbesondere während der Durchführung von Provokationstests, ermöglicht wird.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen genannte Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur optischen Messung von Schwellungszuständen der Nase besteht aus einem Grundgerät mit Lichterzeugungskomponenten und Lichtdetektionskomponenten sowie zugeordneter Senderelektronik und Empfängerelektronik und Controller. Weiterhin ist mindestens eine optische Verbindung zwischen dem Grundgerät und einem optischen Sendeelement realisiert, wobei die Weiterleitung des durch die Lichterzeugungskomponenten erzeugten Lichtes in die optische Verbindung zum Sendeelement durch optische Elemente realisiert ist. Es liegt weiterhin mindestens eine optische Verbindung zwischen einem optischen Empfangselement und den Lichtdetektionskomponenten vor. Außerhalb des Grundgerätes befinden sich Sende- und Empfangselemente, die auf einem Applikationsteil angeordnet sind. Das Applikationsteil realisiert dabei eine Anordnung der Sende- und Empfangselemente, die den Durchtritt des vom Sendeelemente ausgesandten Lichtes durch das schwellfähige Gewebe mindestens einer Nasenseite bis zum Empfangselement ermöglicht. Weiterhin ist das Applikationsteil formschlüssig mindestens an den oberen Teil der Nase anlegbar.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird auf optischem Wege die Schwellung des Nasengewebes erfasst. Dabei wird das Nasengewebe von außen mit einer Lichtquelle bestrahlt, die von einem Sendeelement ausgesandt wird und durch einen Detektor, ein Empfangselement, wird das durch das Gewebe hindurchtretende Streulicht entweder auf der gleichen oder auf der gegenüberliegenden Nasenseite erfasst. Das Licht passiert bei seinem Durchgang durch das Nasengewebe eine Reihe von Gewebeschichten, wie Haut, Muskulatur, Schleimhaut, Knochen, Knorpel, sowie die Luftwege. Ein Teil des durchdrungenen Gewebes zeichnet sich durch Schwellfähigkeit aus, insbesondere die über den Knochen der Nasenmuscheln liegende Nasenschleimhaut. In diesem Teil des Gewebes kommt es im Verlauf der Schwellung zu einer Zunahme des Blutvolumens infolge des Einströmens von Blut in die Schwellkörper. Das zuströmende Blut ist dabei vorrangig arterieller Natur und damit im Normalfall zu mindestens 95% mit Sauerstoff gesättigt. Weiterhin kommt es im Falle einer mit der Schwellung möglicherweise verbundenen Ödembildung zu einer Zunahme des Gewebewasservolumens. Es ist daher vorteilhaft, die Durchstrahlung spektrometrisch durchzuführen, um die Volumenanteile des oxygenierten und deoxygenierten Hämoglobins sowie des Gewebewassers quantitativ getrennt erfassen zu können. Dies kann entweder durch Verwendung einer Weißlichtquelle und eines Spektrometerdetektors (z. B. Diodenzeilenspektrometer) oder durch Verwendung von mehreren Lichtquellen mit diskreten Strahlungsspektren (LEDs, Laserdioden) erfolgen.
Da die genannten, an der Schwellung beteiligten Stoffe unterschiedliche optische Absorptionsspektren besitzen, ist eine getrennte Absolut- bzw. Relativbestimmung der Volumenanteile mit entsprechenden mathematischen Methoden möglich. Eine derartige Anordnung ist bis heute nicht beschrieben.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass sie sich durch eine nichtinvasive Applikation von außen sowie durch eine einfache Handhabung auszeichnet.
Beste Wege zur Ausführung der Erfindung
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Gestaltung der Anordnung ist dem Untersuchungszweck angepasst. In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1 ein Applikationsteil in Vorderansicht (a) und Ansicht von oben (b)
Fig. 2 zwei Ausführungsvarianten eines Applikationsteils mit aktiven Sende- und
Empfangselementen (a) sowie passiven Sende- und Empfangselementen (b) Fig. 3 ein Applikationsteil und dessen Fixierung an Kopf und Nase Fig. 4 ein Grundgerät einer erfindungsgemäßen Anordnung Fig. 5 eine schematische Darstellung des Nasenquerschnitts, mit Darstellung der
Lage der optischen Elemente und des Durchstrahlungskanals vor und nach einer Schwellung Fig. 6 eine schematische Darstellung der Extinktionsmesswerte im Verlauf einer
Schwellung
Die erfindungsgemäße Anordnung besteht mindestens aus einem Grundgerät 12 mit der für die Erfüllung der Messaufgabe erforderlichen Sender- 15 und Empfängerelektronik 16 sowie einem Applikationsteil 1 , welches sich während der Messung in direktem Kontakt mit dem Nasengewebe befindet.
Ein Applikationsteil 1 ist in Fig. 1 a und b dargestellt. Es besteht aus einem spangenförmigen Grundkörper, deren beide Seiten formschlüssig an die Nasenflügel angelegt werden können. Auf der einen Seite des Applikationsteils 1 ist das lichtabstrahlende Element, optische Sendelement 2, auf der gegenüberliegenden Seite das lichtempfangende Element, optische Empfangselement 3 angeordnet. Diese sind entweder als diskrete Strahlungsquellen und Detektoren ausgeführt, deren optische Achsen in Richtung des Gewebes ausgerichtet sind (Fig. 2a) und die über stromführende Kabel 4 mit dem Grundgerät 12 verbunden sind, oder anderenfalls als optische Verbindungen 6, 7, die die Lichtübertragung vom und zum Grundgerät 12 realisieren und die entweder mit ihren abstrahlenden Flächen senkrecht an das Nasengewebe geführt werden oder durch Anordnung entsprechender optischer Umlenkelemente 5 (Spiegel, Mikroprismen) auf das Gewebe ausgerichtet sind (Fig. 2b).
Die Fixierung des Applikationsteils 1 erfolgt gemäß Fig. 3 mit Hilfe eines am Kopf angebrachten Stirnträgerbandes 8. Dieses sorgt für eine feste Position des Applikationsteils 1 auf dem Nasenrücken während der Messung. Das Applikationsteil ist über einen Bügel 10 mit dem Trägerband 8 verbunden. Die Verbindung ist so gestaltet, dass eine exakte Positionierung des Applikationsteils auf dem Nasenrücken, z. B. durch ein arretierbares Kugelgelenk 9 oder einen flexiblen Metallschlauch, möglich ist. Weitere diesbezügliche Varianten der erfindungsgemäßen Anordnung können wie folgt gestaltet sein:
- das Applikationsteil ist an der Nase adhäsiv befestigt; das Applikationsteil wird mit Hilfe eines elastischen oder im Umfang auf die Kopfgröße einstellbaren Bandes direkt an die Nase angepresst; das Applikationsteil ist als brillenähnliches Gestell ausgeführt, welches auf der Nasenwurzel sitzt und bei welchem die optischen Sende- und Empfangselemente durch die Schwerkraft am Nasengewebe angedrückt werden;
- eine Anordnung, bei der die Sende- und Empfangselemente auf zwei separaten Grundelementen (Pads) angeordnet sind, welche getrennt voneinander auf jeder Nasenseite adhäsiv befestigt werden.
Für eine genaue und reproduzierbare Messung ist neben der räumlich stabilen und bewegungsfreien Fixierung des Applikationsteils an der Nase auch die Unterdrückung und/oder Herauskalibrierung von Fremdlichteinflüssen wichtig. Daher ist es vorteilhaft, optische Filter zu verwenden oder den Messort während der Messung durch eine lichtundurchlässige Kappe abzudecken, welche z. B. als Kunststoffkappe mit am Trägerband fixiert sein kann und bei Bedarf während der Untersuchung über das Messfeld geklappt wird.
In der Fig. 4 ist ein Grundgerät 12 mit geräteinternen Lichterzeugungskomponenten 13 und Lichtdetektionskomponenten 14 dargestellt, an welches über die optischen Verbindungen 6, 7 ein zuvor beschriebenes Applikationsteil 1 anschließbar ist. Das Grundgerät 12 besteht aus einer Senderelektronik 15 für die optischen Lichterzeugungskomponenten 13, einer Empfängerelektronik 16 und einem Controller 17, an den über eine Datenschnittstelle weitere Geräte anschließbar sind. Die Senderelektronik 15 verfügt an ihrem Ausgang über mehrere Lichterzeugungskomponenten 13, deren Licht durch ein optisches Element 18 gebündelt wird. Das gebündelte Licht wird in eine optische Verbindung 6 eingeleitet. Mit dem Eingang der Empfängerelektronik 16 ist eine Lichtdetektionskomponente 14 verbunden, in welche Licht aus der optischen Verbindung 7 einfällt.
Für die optische Messung von Schwellungszuständen und die Differenzierung von Schwellungsursachen ist eine spektrometrische Messung vorteilhaft. Dafür können Lichtquellen mit begrenztem Spektrum (LEDs, Halbleiterlaser) und ein für den ausgesuchten Spektralbereich hinreichend empfindlicher Photodetektor (Halbleiterphotodetektor, Photomultiplier) verwendet werden. Alternativ kann eine Weißlichtquelle und ein spektrometrisch auflösend messender Detektor eingesetzt werden. Ziel der Messung ist die Erfassung von Lichtschwächungswerten (optische Dichte des Gewebes) bei einzelnen interessierenden Wellenlängen im Zeitverlauf. Diese ergibt sich aus der Beziehung
Figure imgf000008_0001
wobei ls(λ,t) die am Sendeelement abgestrahlte Lichtintensität und lü(λ,t) die am Empfangselement ankommende Lichtintensität bei der Wellenlänge λ und zum Zeitpunkt t bezeichnen. Die Extinktion E(λ,t) ist im allgemeinen eine Funktion der Lichtstreuung und der Lichtabsorption in Gewebe und liefert damit einen Messwert für die geometrische und optische Veränderung des Gewebes. Durch Differenzbildung E(λι,t)-E(λ2,t) bei zwei Wellenlängen kann ein Relativmaß der Änderung bestimmt werden, welches das Verhältnis der Volumenänderungswerte einzelner Gewebekonstituenten wiedergibt und weitestgehend von geometrischen Effekten befreit ist. So ist beispielsweise bei Verwendung einer hämoglobinsensitiven Wellenlänge von λι=800nm und einer H2O-sensitiven Wellenlänge von λ2=970nm das Verhältnis zwischen Blut- und Gewebewasserzunahme darstellbar. Weiterhin ist es durch Anwendung spezieller optischer Messtechniken möglich, Streu- und Absorptionseigenschaften des Gewebes getrennt zu bestimmen. Dazu sind Photonenlaufzeitmessungen mit Hilfe einer Hochfrequenzmodulationstechnik (Intensitätsmodulation der Lichtquelle/n und Amplituden- und Phasenmessung des Empfängersignals) bzw. einer Pulslasertechnik (Applikation kurzer Laserpulse und zeitaufgelöste Messung des Empfängersignals) erforderlich. Diese Messmethoden sowie dazugehörige mathematische Verfahren zur Bestimmung optischer Parameter aus solchen Messdaten sind Stand von Wissenschaft und Technik (z. B. Sevick et al.: „Quantitation of time- and frequency resolved optical spectra for the determination of tissue oxygenation", Anal. Biochem. 195, 330-51 , 1991 ; Patterson et al., "Time resolved reflectance and transmittance for the non-invasive measurement of tissue optical properties", Appl. Opt, 28, 2331-36, 1989).
Der Ablauf einer Messung soll hier am Beispiel einer provozierten allergischen Reaktion (Provokationstest) erläutert werden.
Nach Vorbereitung der zu untersuchenden Person wird das Applikationsteil auf dem Nasenrücken in der Nähe der Nasenwurzel so fixiert, dass sich die optischen Sende- und Empfangselemente am Gewebe gegenüberstehen und die optische Strahlung möglichst viel schwellfähiges Gewebe im Inneren der Nase durchdringt (Fig. 5). Danach wird ein möglichst optimales photometrisches Signal mit Hilfe einer manuellen, automatischen oder halbautomatischen Einstellung von Quellintensität(en) und/oder Detektorempfindlichkeit in einen für die Messung geeigneten Bereich mittels optomechanischer, elektronischer und/oder softwaretechnischer Möglichkeiten eingestellt. Die Datenerfassung wird dann manuell durch den Bediener gestartet. Gesteuert durch den grundgerätinternen Controller 17 erfolgt ein wiederholtes sequentielles Schalten der Strahlungsquellen durch die Senderelektronik 15 und zeitgleich die Erfassung der Detektormesswerte durch die Empfängerelektronik 16. Durch getrennte Messung des Umgebungslichtes (Dunkelsignal) bei ausgeschalteten Lichtquellen oder alternativ durch eine Messung des AC-Anteils eines genügend hoch modulierten Lichtsignals der Lichtquellen wird dafür gesorgt, dass nur das durch die Lichtquellen erzeugte Licht und nicht das in die Messvorrichtung eventuell einfallende Umgebungslicht gemessen wird.
In der Fig. 6 sind schematisch Extinktionsmesswerte im Verlauf einer Schwellung dargestellt. Die spektralen Lichtschwächungswerte im unprovozierten Zustand stellen die Grundlinie der Messung dar. Ist diese in einem Zeitfenster von 1 bis 2 Minuten erfasst, wird ein allergener Stoff durch Zerstäuben in eine oder beide Nasenhöhle(n) verabreicht und der Messzeitpunkt, z. B. durch Betätigung eines Fußschalters zum Verabreichungszeitpunkt tp, aufgezeichet. Bei einer allergischen Reaktion beginnt dann eine Schwellung des Nasengewebes, welche eine nachweisbare Zunahme der spektralen Extinktion bewirkt. In Fig. 6 sind spektrale Extinktionswerte dargestellt, welche zur besseren Verständlichkeit am Anfangszeitpunkt tp normiert wurden. Die Schwellung erreicht zum Zeitpunkt tε einen stationären Zustand, an dem keine weitere Schwellung mehr nachweisbar ist. Erst nach einer Zeit t»tE-tp klingt die Schwellung wieder ab. Diagnostisch verwertbare Informationen sind aus dem Zeitverlauf der spektralen Extinktionswerte ableitbar. Zu diesen zählen insbesondere:
- der Anstieg ΔE(λ)=E(λ,tE)-E(λ,tP) der Extinktion für eine Wellenlänge als Maß für die Stärke der Schwellung; die Extinktionswertedifferenz ΔE(λι)- ΔE(λ2) bei verschiedenen Wellenlängen als Maß für die Zunahme der Volumenanteile verschiedener Gewebekonstituenten relativ zueinander; die zeitliche Differenz
Figure imgf000010_0001
der Reaktion vom Provokationszeitpunkt bis zum stationären Endzustand als Maß für die Schwellungsgeschwindigkeit sowie die Form der Kurven E(λ,t) als Indikator für den physiologischen Ablauf der Schwellung.
Bezugszeichβnliste
1 - Applikationsteil
2 - optisches Sβndβelβmβnt
3 - optisches Empfangsβlement
4 - stromführendes Kabel
5 - optisches Umlβnkθlθment - optische Verbindung zum Sendθθlement
7 - optische Verbindung zum Empfängerelement
8 - Stirnträgerband
9 - Kugelgelenk
10 - Befestigungsbügel
11 - Durchstrahlungskanal
12 - Grundgerät
13 - Uchterzβugungskomponentβn
14 - Lichtdetektionskomponente
15 - Senderelektronik
16 - Empfangerelektronik
17 - Controller
18 - optisches Element

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zur optischen Messung von Schwellungszuständen der Nase, bestehend aus
- einem Grundgerät (12) mit Lichterzeugungskomponenten (13) und Lichtdetektionskomponenten (14) sowie zugeordneter Senderelektronik (15) und Empfängerelektronik (16) und Controller (17),
- mindestens einer optischen Verbindung (6) zwischen dem Grundgerät (12) und einem optischen Sendeelement (2), wobei die Weiterleitung des durch die Lichterzeugungskomponenten (13) erzeugten Lichtes in die optische Verbindung (6) zum Sendeelement (2) durch optische Elemente (18) realisiert ist, mindestens einer optischen Verbindung (7) zwischen einem optischen Empfangselement (3) und den Lichtdetektionskomponenten (14), außerhalb des Grundgerätes (12) anordenbaren Sende- und Empfangselementen (2,3), die auf einem Applikationsteil (1) angeordnet sind, wobei das Applikationsteil eine Anordnung der Sende- und Empfangselemente (2,3) realisiert, die den Durchtritt des vom Sendeelemente (2) ausgesandten Lichtes durch das schwellfähige Gewebe mindestens einer Nasenseite bis zum Empfangselement (3) ermöglicht,
- einem Applikationsteil (1) , welches formschlüssig mindestens an den oberen Teil der Nase anlegbar ist,
2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der als Lichterzeugungskomponenten (13) eine oder mehrere Lichtquellen mit verschiedenen Emissionswellenlängen eingesetzt sind.
3. Anordnung nach Anspruch 2, bei der die Lichterzeugungskomponenten (13) eine LED und/oder ein Laser und/oder eine Halogenlampe sind.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , bei der die Senderelektronik (15) eine konstante optische Leistung der Lichterzeugungskomponenten (13) realisiert.
5. Anordnung nach Anspruch 1 , bei der die Senderelektronik (15) eine Intensitätsmodulation der Lichterzeugungskomponenten (13) realisiert.
6. Anordnung nach Anspruch 6, bei der die Senderelektronik (15) eine Hochfrequenzmodulation der Lichterzeugungskomponenten (13) realisiert.
7. Anordnung nach Anspruch 1 , bei der die Senderelektronik (15) Lichtimpulse von <1 ns - Dauer realisiert.
8. Anordnung nach Anspruch 1 , bei der als Lichtdetektionskomponenten (14) ein oder mehrere Photodetektoren und/oder Spektrometerdetektoren eingesetzt sind.
9. Anordnung nach Anspruch 8, bei der die Lichtdetektionskomponenten (14) Photohalbleiterdetektoren und/oder Photomultipler sind.
10. Anordnung nach Anspruch 1 , bei der das Applikationsteil (1) aus einem spangenförmigen starren bis leicht flexiblen Grundkörper oder aus zwei separaten Einheiten besteht.
11.Anordnung nach Anspruch 1 , bei der die formschlüssige Verbindung des Applikationsteiles (1) mit der Nase adhäsiv oder über ein dehnbares/längenverstellbares um den Hinterkopf laufendes Halteband (8) oder über ein brillenähnliches Gestell realisiert ist.
12. Anordnung nach Anspruch 11, bei der zwischen dem Halteband (8) und dem Applikationsteil (1) eine justierbare mechanische Verbindung (9,10) zur stabilen Fixierung der formschlüssigen Verbindung realisiert ist.
13. Anordnung nach Anspruch 1 , bei der um das Messfeld optische Abschirmungselemente (8,9,10) realisiert sind.
14. Anordnung nach Anspruch 13, bei der die Abschirmungselemente (8,9,10) eine lichtundurchlässige Kappe oder optische Filter sind.
15. Anordnung nach Anspruch 1, bei der mindestens zwei optische Sende- und Empfangselemente (2,3) auf dem Applikationsteil (1) angeordnet sind, wobei je ein optisches Sende- und Empfangselement (2,3) auf je einer Seite der Nase und des Applikationsteils (2) angeordnet sind.
16. Verfahren zur optischen Messung von Schwellungszuständen der Nase unter Verwendung der Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem Licht von Lichterzeugungskomponenten (13) über optische Elemente (18) und über mindestens eine optische Verbindung (6) zu mindestens einem optischen Sendeelement (2) geleitet wird, das oder die optischen Sendeelemente (2) dieses Licht aussenden, wobei durch die Anordnung des oder der optischen Sendeelemente (2) auf dem Applikationsteil (1) der Durchtritt des Lichtes durch mindestens einer Nasenseite realisiert wird und im Bereich des Austritts des Lichtes aus der mindestens einer Nasenseite mindestens ein optisches Empfangselement (3) das austretende Licht aufnimmt und über optische Verbindungen (7) zu den Lichtdetektionskomponenten (14) geleitet wird und die eingehenden Werte, die den zeitlichen Verlauf der spektralen Extinktion der durch die Lichterzeugungskomponenten (13) erzeugten optischen Strahlung bei ausgewählten Emissionswellenlängen vor und während einer natürlichen oder provozierten Schwellung des schwellfähigen Nasengewebes darstellen, aufgezeichnet und daraus diagnostisch verwertbare Parameter errechnet werden.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem für die Realisierung einer Messung verschiedene Lichterzeugungskomponenten (13) mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen eingesetzt werden, die durch die Senderelektronik (15) nacheinander hell geschaltet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem vor Realisierung einer Messung ein Dunkelwert bei nichtaktivierten Lichterzeugungskomponenten (13) zur Korrektur der Umgebungseinflüsse gemessen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem während der Realisierung einer Messung zeitgleich zur Erfassung des durchgetretenen Lichtes durch mindestens eine Nasenseite eine Intensitätsmessung der Lichterzeugungskomponenten (13) zur Erfassung der optischen Ausgangsleistung realisiert wird.
20. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem zur Differenzierung verschiedener Gewebebestandteile Licht einer einzelnen Weißlichtquelle (13) ausgesandt wird und der Empfang des Lichtes nach Durchtritt durch mindestens eine Nasenseite durch einen Spektrometerdetektor (14) realisiert wird.
21. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Lichterzeugungskomponenten (13) Licht mit verschiedenen Trägerfrequenzen intensitätsmoduliert aussenden und die empfangenen Lichtsignale durch ein Frequenzdemultiplexingverfahren getrennt erfasst werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21 , bei dem die Intensitätsmodulierung sinusförmig realisiert wird.
23. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Lichterzeugungskomponenten (13) hochfrequent moduliertes Licht aussenden und für die empfangenen Lichtsignale durch Demodulation die Phasenverschiebung und Amplitudendämpfung bestimmt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Lichterzeugungskomponenten (13) sehr kurze Lichtpulse von < 1 ns aussenden und von den empfangenen Lichtsignalen über ein zeitaufgelöst messendes optisches Empfangselement (3) die temporale Photonenankunftsverteilung bestimmt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Messung der Schwellung der Nase für jede Nasenhöhle/Nasenseite getrennt durchgeführt und erfasst wird.
26. Verfahren nach Anspruch 16, dass Licht verschiedener Wellenlänge von den Lichterzeugungskomonenten (13) zu mindestens je einem optischen Sendeelement (2) auf jeder Nasenseite geleitet wird und von den optischen Empfangselementen (3) empfangen wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem von mindestens je einer Lichterzeugungskomponente (13) Licht mit verschiedenen Wellenlängen zu mindestens je einem Sendeelement (2) auf jeder Nasenseite nacheinander geleitet wird.
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