WO2005094671A1 - Verfahren zur spektralphotometrischen ermittlung der sauerstoffsättigung des blutes in optisch zugänglichen blutgefässen - Google Patents

Verfahren zur spektralphotometrischen ermittlung der sauerstoffsättigung des blutes in optisch zugänglichen blutgefässen Download PDF

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WO2005094671A1
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oxygen saturation
blood
wavelength
reflection
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Walthard Vilser
Martin Hammer
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Imedos Gmbh
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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
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    • A61B5/14555—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 specially adapted for the eye fundus

Definitions

  • the invention relates to a method for the spectrophotometric determination of the oxygen saturation of the blood in optically accessible blood vessels by determining the intensity of the reflection from the blood vessels and their vascular-free environment on the basis of at least two spectrally different images and an empirically determined relationship between the oxygen saturation and a ratio of the intensities the reflection of the blood vessels and their non-vascular surroundings.
  • the method according to the invention is intended in particular for use on the human fundus, but is not limited to this.
  • the oxygen saturation of a hemoglobin sample can be determined by comparing the spectrum of a sample with the spectra of fully oxygenated and completely reduced hemoglobin, since the absorption spectrum of the red blood pigment hemoglobin, as is generally known, changes with oxygen saturation.
  • DE 102 17 543 A 1 describes a method which makes it possible to determine the oxygen saturation by comparing a measured spectrum with the spectra of oxygenated and reduced hemoglobin at four wavelengths. Disturbances such as the absorption of other pigments and the scatter in the tissue are compensated for by a linear transformation of the logarithmic spectra.
  • the disadvantage here is that the four wavelengths are in a spectral range in which the blood is strongly absorbed. Due to the resulting low signal-to-noise ratio, it is difficult to achieve the required high accuracy in the reflection measurements on vessels of the fundus.
  • an intermediate image taken with a fundus camera from the fundus of the eye is divided into two images to determine the oxygen saturation, which are filtered in such a way that the two images have different wavelengths for electronic recording in relation are optimized for the oxygen saturation of the blood.
  • the images are evaluated in such a way that the reflection of the blood vessel and that of its surroundings is determined.
  • the oxygen saturation values are finally determined on the basis of empirical relationships between oxygen saturation and an optical density ratio resulting from the contrast of the blood vessel with its surroundings.
  • a disadvantage of this method is that a quantitative measurement of the oxygen saturation is only possible in veins for which the optical density ratio of an assigned artery is known when the patient is ventilated with pure oxygen.
  • the improved method should provide more meaningful values for the oxygen saturation and reduce the effort for the assignment of arteries and veins in the images.
  • this object is achieved in the method for the spectrophotometric determination of the oxygen saturation of the blood in optically accessible blood vessels at the beginning mentioned type achieved in that the blood vessels and their surroundings for recording the spectrally different images are simultaneously illuminated with at least one measuring wavelength and at least one reference wavelength of illuminating radiation, and in that each measuring and reference wavelength is matched to a respective color channel of a color camera used to record the images is to be received by this color channel.
  • a wavelength at which the reflection of oxygenated and reduced hemoglobin differs is preferably used as the measurement wavelength and an isosbestic wavelength of the hemoglobin is provided as the reference wavelength.
  • the exposure of the patient to lighting is considerably reduced by limiting the illuminating radiation on the illuminating side to the selected spectral sections of the illuminating radiation that are related to the color channels of the color camera.
  • this measure has an advantageous effect on the achievable signal-to-noise ratio.
  • the oxygen saturation is determined as a linear function of the quotient of the logarithmic reflection conditions in the vascular-free environment and on the blood vessel at the measurement wavelength and the isosbestic wavelength.
  • the rise and linear term of the linear function are determined empirically from series of measurements on several blood vessels.
  • Both correctives are linear functions of the disturbance variable to be compensated for - vessel diameter or pigmentation - the rise and linear term of the two linear functions being determined empirically.
  • the pigmentation of the area surrounding the blood vessels is determined by the logarithm of the quotient of the reflection values from the area surrounding the blood vessels at the measurement wavelength and the isosbestic wavelength.
  • the method according to the invention is preferably designed in such a way that arteries and veins are distinguished on the basis of the quotient of the logarithmic reflection ratios in the vessel-free environment of the blood vessel and on the blood vessel at the measurement wavelength and the isosbestic wavelength.
  • the blood vessels and their direction as well as the vascular-free environment can be recognized automatically by image processing means or manually. In the same way, specular reflections on the blood vessels can be identified and eliminated.
  • the reflection values perpendicular to the direction of the blood vessel it is advantageous to average the reflection values of all the pixels belonging to the blood vessel.
  • several reflection values, averaged perpendicular to the direction of the blood vessel can be determined, by means of which the mean value is formed.
  • a special embodiment of the invention provides that the determination of the oxygen saturation is a reaction to physiological provocation or stimulation is carried out. This can be done in different ways, such as. B. by flicker light, by ventilating the subject with oxygen or with carbogen.
  • a method is particularly suitable for optical influencing, in which light of at least one light source is modified in terms of program technology by a light manipulator arranged in an illuminating beam path of an imaging device, and in which the modified light is used for illumination and for optional provocation or stimulation.
  • the oxygen saturation determined with the method according to the invention can be used in a variety of ways for diagnostic purposes. Advantageous applications in this regard can be found in the dependent claims.
  • the invention further relates to a method for the spectrophotometric determination of the oxygen saturation of the blood in optically accessible blood vessels of the type mentioned in the introduction, in which the oxygen saturation as a linear function of the quotient of the logarithmic reflection conditions in the vessel-free environment and on the blood vessel at a measuring wavelength at which the reflection of oxygenated and reduced hemoglobin differs and an isosbestic wavelength of hemoglobin is determined as the reference wavelength, and the increase and the linear term of the linear function are determined empirically from measurement series on several blood vessels. Disruptions due to the dependence of oxygen saturation on the vessel diameter and on the pigmentation of the surroundings of the blood vessels can be compensated for by empirically determined corrective measures that have to be taken into account.
  • the invention will be explained below with reference to the schematic drawing. Show it:
  • Fig. 1 is a simplified representation of the structure of an imaging device for performing the method according to the invention
  • FIG. 3 shows the local distribution of the reflection of an artery and a vein in a biological object at a measurement and a reference wavelength as a section perpendicular to the blood vessels and the mean values of the reflections on the blood vessels and in their surroundings
  • the imaging device shown in simplified form in FIG. 1 can be used to carry out the method according to the invention, which can preferably, but not exclusively, be applied to blood vessels of the fundus.
  • the method according to the invention can be applied to optically accessible (and identifiable) blood vessels of biological objects, of which the spectrophotometric determination of the oxygen saturation of the blood required spectrally different, congruent monochromatic images can be recorded, for example also with a slit lamp, an endoscope or an operating microscope.
  • the lighting system in a common illumination beam path 1 contains at least one illumination source 2 and in particular for carrying out the method according to the invention a filter device 3 which spectrally spectrally illuminates the color channels of an electronic color camera 4 provides tuned wavelengths.
  • Other elements known from retinal camera technology include a perforated mirror 5, through the central opening of which a recording beam path 6 runs. The illuminating light is directed over a region surrounding the central opening through optically imaging elements (not shown here) to the fundus 7 and in particular to the blood vessels located therein and their surroundings.
  • Light reflected from the fundus 7 passes through the recording beam path 6 and again via optical imaging elements, not shown, to an imaging recording system, for which the color camera 4 is provided in the present exemplary embodiment, the camera control of which is controlled by a central control and Evaluation unit, in particular a control and evaluation computer 8 is connected.
  • a power supply unit 9, which serves to supply power to the two lighting sources 2 and 10, is also connected to the control and evaluation computer 8, and also corresponding tilting mirror controls.
  • Layer filters such as dual band pass filters to triple band pass filters, are particularly suitable as optical filters 3, which are particularly suitable for subsequent integration, preferably in a section with a parallel beam path in the illumination beam path 1 of systems which have already been set up.
  • optical filters 3 which are particularly suitable for subsequent integration, preferably in a section with a parallel beam path in the illumination beam path 1 of systems which have already been set up.
  • a geometrically composed of filter sector-shaped filter areas with different spectral filter properties Structured filters whose circular sectors can have the same or different sector areas are suitable, but must be arranged in the vicinity of the aperture level.
  • the pixels adjacent to the blood vessels are used as the surroundings if no other vessel is recognized in them.
  • the reflection values of all the pixels belonging to the blood vessel are averaged perpendicular to this direction. Specular reflections on the blood vessel can be excluded from the averaging. It is also possible that several reflection values, averaged perpendicular to the direction of the vessel, are determined in the vessel direction and that a (moving) mean value is in turn formed over these.
  • the averaging in the vascular environment can also be carried out in a similar manner.
  • a ratio of the optical densities ODR is used, which can be represented as the quotient of the logarithms of the ratios of the reflection R u from the vascular-free environment and the reflection R g on a blood vessel at the measuring wavelength ⁇ m and the reference wavelength X_:
  • the oxygen saturation OS in% in the blood vessel in question is determined from (1) as a linear function
  • linear term a as offset and the rise b are to be determined empirically from a series of measurements over a sufficiently large number of blood vessels, for example by comparison with normal values according to a spectrometric method according to DE 199 20 157 AI.
  • Variables c and d represent corrective measures, c being used to correct the dependence of oxygen saturation on the vessel diameter and d on the pigmentation of the local environment of the blood vessel.
  • the correctives c and d can be different for arteries and veins.
  • the distinction between arteries and veins can preferably be made on the basis of a threshold value for ODR and can thus be automated.
  • the melanin pigmentation of the fundus can be determined from the reflection values in the local environment of the blood vessel and results from
  • a method according to DE 196 48 935 AI is particularly suitable for determining the vessel diameter g, which determines the vessel diameter g after a vessel edge detection as the distance between interpolatingly formed photometric vessel edge focal points with corrected oblique position of the vessel edges.
  • the constants f and j assume the value 0 for an artery, which eliminates the corrections c and d when determining oxygen saturation.
  • the values a and b are the same for veins and arteries.
  • the blood vessels in veins and arteries are classified automatically on the basis of an ODR threshold value, ODR> 0.078 being a vein, otherwise an artery.
  • the intensity of the reflection outside the blood vessels, ie in the vascular-free environment is measured and the mean value is formed from this.
  • Vascular wall effects or shadows of the blood vessel on its background are not taken into account when averaging. Specular reflections on the blood vessels can be identified and eliminated automatically by image processing means or manually.
  • the method according to the invention enables the vascular structure to be represented in the image of the biological object, in which the oxygen saturation is coded, for example, in false colors.
  • the oxygen saturation is coded, for example, in false colors.
  • vascular sections with pathologically changed Oxygen saturation determined and marked in the picture.
  • a statistical evaluation of the oxygen saturation of all blood vessels in the picture allows a global statement about existing pathologies compared to normal values.
  • the reaction of oxygen saturation to physiological provocations or stimulations provides further diagnostically important information.
  • the imaging device according to FIG. 1 can have additional means which are also suitable for stimulating or provoking the blood vessels, such as, for. B. a controllable optical light manipulator 12 arranged in the common illuminating beam path 1 next to the filter device 3, the control module 13 of which has an interface to the control and evaluation computer 8 (broken line).
  • the light manipulator 12, which is programmable in many ways, is a common element available for all lighting sources, which generates secondary light by modifying primary light, here the continuously emitting lighting source 2 and the flash lighting source 10.
  • the light manipulator is suitable for modifying the light of at least one light source in terms of its intensity and / or time profile with a temporally defined reference to the settings of the at least one light source, the image recording and the evaluation for adaptive adaptation to an examination task.
  • the secondary light can be used for lighting and for optional provocation or stimulation.

Abstract

Bei einem Verfahren zur spektralphotometrischen Ermittlung der Sauerstoffsättigung des Blutes in optisch zugänglichen Blutgefäßen durch Bestimmung der Intensität der Reflexion von den Blutgefäßen und deren gefäßfreier Umgebung anhand mindestens zweier spektral verschiedener Bilder besteht die verschiedenen Bilder herabzusetzen und gleichzeitig ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. Ferner soll das verbesserte Verfahren eine eindeutige Zuordnung von Arterien und Venen in den bildlichen Darstellungen gewährleisten und aussagekräftigere Werte für die Sauerstoffsättigung liefern. Die Blutgefäße und deren Umgebung werden zur Aufnahme der spektral verschiedenen Bilder gleichzeitig mit mindestens einer Messwellenlänge und mindestens einer Referenzwellenlänge einer Beleuchtungsstrahlung beleuchtet, wobei jede Mess- und Referenzwellenlänge auf je einen Farbkanal einer zur Aufnahme der Bilder dienenden Farbkamera abgestimmt ist, um von diesem Farbkanal empfangen zu werden.

Description

Verfahren zur spektralphotometrischen Ermittlung der Sauerstoffsattigung des Blutes in optisch zugänglichen Blutgefäßen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur spektralphotometrischen Ermittlung der Sauerstoffsattigung des Blutes in optisch zugänglichen Blutgefäßen durch Bestimmung der Intensität der Reflexion von den Blutgefäßen und deren gefäßfreier Umgebung anhand mindestens zweier spektral verschiedener Bilder und eines empirisch ermittelten Zusammenhanges zwischen der Sauerstoffsattigung und einem Verhältnis der Intensitäten der Reflexion von den Blutgefäßen und ihrer gefäßfreien Umgebung.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Anwendung am menschlichen Augenhintergrund vorgesehen, aber nicht darauf beschränkt.
Die Sauerstoffsattigung einer Hämoglobinprobe lässt sich durch den Vergleich des Spektrums einer Probe mit den Spektren von vollständig oxygeniertem und vollständig reduziertem Hämoglobin prinzipiell bestimmen, da sich das Absorptionsspektrum des roten Blutfarbstoffes Hämoglobin, wie allgemein bekannt, mit der Sauerstoffsattigung ändert.
So hat Delori in Appl . Opt 27, 1988, 1113-1125 auf der Basis des Lambert - Beerschen Gesetzes beruhend, ein • Verfahren für die Oximetrie in retinalen Gefäßen beschrieben, das Messungen bei drei Wellenlängen nutzt, um Streuverluste zu kompensieren.
Eine Vielzahl weiterer Verfahren und Vorrichtungen zur Oximetrie am Augenhintergrund, die auf dem Lambert - Beerschen Gesetz beruhen und z. B. bekannt sind aus DE 199 20 157 AI, US 4,253,744, US 4,305,398, US 4 485 820, US 5 119 814, US 5,308,919, US 5,318,022, US 5,776,060 sowie US 5,935,076, haben den Nachteil, dass der sehr komplexe Vorgang der Lichtausbreitung in einem, in die Netzhaut ' eingebetteten Blutgefäß und in der Umgebung dieses Blutgefäßes nur unzureichend modelliert wird. Das hat zur Folge, dass ungenaue und zum Teil falsche Werte für die Sauerstoffsattigung resultieren .
In der DE 102 17 543 A 1 ist ein Verfahren beschrieben, welches durch Vergleich eines gemessenen Spektrums mit den Spektren von oxygeniertem und reduziertem Hämoglobin bei vier Wellenlängen eine Bestimmung der Sauerstoffsattigung ermöglicht. Störgrößen, wie die Absorption anderer Pigmente und die Streuung im Gewebe, werden dabei durch eine lineare Transformation der logarithmierten Spektren kompensiert. Nachteilig ist hierbei, dass die vier Wellenlängen in einem Spektralbereich liegen, in dem das Blut stark absorbiert. Aufgrund des dadurch bedingten niedrigen Signal - Rausch - Verhältnisses ist es schwierig, die erforderliche hohe Genauigkeit bei den Reflexionsmessungen an Gefäßen des Augenhintergrundes zu erreichen.
Bei einem in der WO 00/06017 AI enthaltenen Verfahren wird zur Ermittlung der Sauerstoffsattigung ein mit einer Funduskamera vom Augenhintergrund aufgenommenes Zwischenbild in zwei Bilder aufgeteilt, die derart gefiltert werden, dass die beiden Bilder voneinander verschiedene Wellenlängen aufweisen, die für die elektronische Aufzeichnung in Bezug auf die Sauerstoffsattigung des Blutes optimiert sind.. Die Bilder werden dahingehend ausgewertet, dass die Reflexion des Blutgefäßes und die seiner Umgebung bestimmt wird. Die Ermittlung der Sauerstoffsättigungswerte erfolgt schließlich auf der Grundlage empirischer Beziehungen zwischen Sauerstoffsattigung und einer sich aus dem Kontrast des Blutgefäßes zu seiner Umgebung ergebenden optischen Dichteverhältnisses .
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine quantitative Messung der Sauerstoffsattigung nur in Venen möglich ist, für die das optische Dichteverhältnis einer zugeordneten Arterie bei Beatmung des Patienten mit reinem Sauerstoff bekannt ist.
Das hat unvorteilhaft zur Folge, dass • jeder Patient für die Untersuchung mit Sauerstoff zu beatmen ist, • vom Untersuchenden eine Klassifikation der Blutgefäße in Venen und Arterien vorgenommen werden muss, obwohl • eine eindeutige Zuordnung von Arterien und Venen in den bildlichen Darstellungen nur mit zusätzlichem Aufwand möglich ist.
Darüber hinaus ist das Verfahren nicht völlig unabhängig von der Melanin - Pigmentierung des Augenhintergrundes.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, dass die Patientenbelastung bei der Aufnahme der spektral verschiedenen Bilder herabgesetzt und gleichzeitig ein verbessertes Signal- Rausch-Verhältnis erreicht wird. Ferner soll das verbesserte Verfahren aussagekräftigere Werte für die Sauerstoffsattigung liefern und den Aufwand für die Zuordnung von Arterien und Venen in den bildlichen Darstellungen verringern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem Verfahren zur spektralphotometrischen Ermittlung der Sauerstoffsattigung des Blutes in optisch zugänglichen Blutgefäßen der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass die Blutgefäße und deren Umgebung zur Aufnahme der spektral verschiedenen Bilder gleichzeitig mit mindestens einer Messwellenlänge und mindestens einer Referenzwellenlänge einer Beleuchtungsstrahlung beleuchtet werden, und dass jede Mess- und Referenzwellenlänge auf je einen Farbkanal einer zur Aufnahme der Bilder dienenden Farbkamera abgestimmt ist, um von diesem Farbkanal empfangen zu werden.
Als Messwellenlänge dient bevorzugt eine Wellenlänge, bei der sich die Reflexion von oxygeniertem und reduziertem Hämoglobin unterscheidet und als Referenzwellenlänge ist eine isosbestische Wellenlänge des Hämoglobins vorgesehen.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Beleuchtungsbelastung der Patienten durch die beleuchtungsseitige Begrenzung der Beleuchtungsstrahlung auf die ausgewählten und in Beziehung zu den Farbkanälen der Farbkamera stehenden spektralen Abschnitte der Beleuchtungsstrahlung erheblich reduziert wird. Außerdem wirkt sich diese Maßnahme vorteilhaft auf das erzielbare Signal-Rausch-Verhältnis aus .
Die Sauerstoffsattigung wird als lineare Funktion des Quotienten der logarithmierten Reflexionsverhältnisse in der gefäßfreien Umgebung und auf dem Blutgefäß bei der Messwellenlänge und der isosbestischen Wellenlänge bestimmt. Anstieg und lineares Glied der linearen Funktion werden empirisch aus Messreihen an mehreren Blutgefäßen ermittelt.
Besonders vorteilhaft ist die Zuhilfenahme von empirisch ermittelten und additiv zu berücksichtigenden Korrektiven zur Kompensation von störenden Einflüssen, die durch eine Abhängigkeit der Sauerstoffsattigung vom Gefäßdurchmesser und von der Pigmentierung der Umgebung der Blutgefäße verursacht sind.
Beide Korrektive sind lineare Funktionen der jeweils zu kompensierenden Störgröße - Gefäßdurchmesser bzw. Pigmentierung - wobei Anstieg und lineares Glied der beiden linearen Funktionen empirisch bestimmt werden. Die Pigmentierung der Umgebung der Blutgefäße wird durch den Logarithmus des Quotienten der Reflexionswerte von der Umgebung der Blutgefäße bei der Messwellenlänge und der isosbestischen Wellenlänge bestimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt so ausgebildet, dass Arterien und Venen anhand des Quotienten der logarithmierten Reflexionsverhältnisse in der gefäßfreien Umgebung des Blutgefäßes und auf dem Blutgefäß bei der Messwellenlänge und der isosbestischen Wellenlänge unterschieden werden.
Die Erkennung der Blutgefäße und deren Richtung sowie der gefäßfreien Umgebung kann automatisch durch bildverarbeitende Mittel oder manuell erfolgen. Auf ebensolche Weise können spiegelnde Reflexe auf den Blutgefäßen identifiziert und eliminiert werden.
Vorteilhaft wird bei der Messung der Reflexionswerte senkrecht zur Richtung des Blutgefäßes über die Reflexionswerte aller zum Blutgefäß gehörenden Bildpunkte gemittelt. Entlang der Richtung des Blutgefäßes können mehrere, senkrecht zur Richtung des Blutgefäßes gemittelte Reflexionswerte bestimmt werden, über die der Mittelwert gebildet wird.
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Bestimmung der Sauerstoffsattigung als Reaktion auf physiologische Provokationen oder Stimulationen durchgeführt wird. Das kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, wie z. B. durch Flickerlicht, durch Beatmung des Probanden mit Sauerstoff oder mit Carbogen.
Für eine optische Beeinflussung eignet sich besonders ein Verfahren, bei dem Licht mindestens einer Lichtquelle durch einen in einem Beleuchtungsstrahlengang einer bildgebenden Einrichtung angeordneten Lichtmanipulator programmtechnisch modifiziert wird, und bei dem das modifizierte Licht zur Beleuchtung und zur wahlweisen Provokation oder Stimulierung verwendet wird.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmte Sauerstoffsattigung kann in vielfältiger Weise zu diagnostischen Zwecken genutzt werden. Diesbezüglich vorteilhafte Anwendungen sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur spektralphotometrischen Ermittlung der Sauerstoffsattigung des Blutes in optisch zugänglichen Blutgefäßen der eingangs genannten Art, bei dem die Sauerstoffsattigung als lineare Funktion des Quotienten der logarithmierten Reflexionsverhältnisse in der gefäßfreien Umgebung und auf dem Blutgefäß bei einer Messwellenlänge, bei der sich die Reflexion von oxygeniertem und reduziertem Hämoglobin unterscheidet und einer isosbestischen Wellenlänge des Hämoglobins als Referenzwellenlänge bestimmt wird, und der Anstieg und das lineare Glied der linearen Funktion empirisch aus Messreihen an mehreren Blutgefäßen ermittelt werden. Störungen durch eine Abhängigkeit der Sauerstoffsattigung vom Gefäßdurchmesser und von der Pigmentierung der Umgebung der Blutgefäße können durch empirisch ermittelte und additiv zu berücksichtigende Korrektive kompensiert werden. Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung des Aufbaus einer bildgebenden Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 2 die Lage selektierter Wellenlängenbereiche in den Farbkanälen, wenn die beleuchtungsseitig bereitgestellten Wellenlängenbereiche hinsichtlich einer farblichen Übereinstimmung auf die Farbkanäle abgestimmt sind
Fig. 3 die örtliche Verteilung der Reflexion einer Arterie und einer Vene in einem biologischen Objekt bei einer Mess- und einer Referenzwellenlänge als Schnitt senkrecht zu den Blutgefäßen sowie die Mittelwerte der Reflexionen auf den Blutgefäßen sowie in deren Umgebung
Die in Fig. 1 vereinfacht dargestellte bildgebende Einrichtung kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden, das sich bevorzugt, jedoch nicht ausschließlich auf Blutgefäße des Augenhintergrundes anwenden lässt.
Prinzipiell lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf optisch zugängliche (und identifizierbare) Blutgefäße von biologischen Objekten anwenden, von denen die zur spektralphotometrischen Ermittlung der Sauerstoffsattigung des Blutes erforderlichen spektral verschiedenen, kongruenten monochromatischen Bilder aufnehmen lassen, beispielsweise auch mit einer Spaltlampe, einem Endoskop oder einem Operationsmikroskop.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Bilder vom Augenhintergrund bei einer Messwellenlänge λm = 610 nm, bei der sich die Absorption/Reflexion von oxygeniertem und reduziertem Hämoglobin unterscheidet und bei einer Referenzwellenlänge - einer isosbestischen Wellenlänge λi = 548 nm des Hämoglobins - aufgenommen.
Das kann z. B. mit einer in Fig. 1 gezeigten einfachen und ausgesprochen kostengünstig modifizierten Netzhautkamera erfolgen, deren Beleuchtungssystem in einen gemeinsamen Beleuchtungsstrahlengang 1 mindestens eine Beleuchtungsquelle 2 und insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Filtereinrichtung 3 enthält, die beleuchtungsseitig auf die Farbkanäle einer elektronischen Farbkamera 4 spektral abgestimmte Wellenlängen bereitstellt. Zu weiteren, von der Netzhautkameratechnik her bekannten Elementen gehört unter anderem ein Lochspiegel 5, durch dessen zentrale Öffnung ein Aufzeichnungsstrahlengang 6 verläuft. Über einen, die zentrale Öffnung umschließenden Bereich ist das Beleuchtungslicht durch hier nicht dargestellte optisch abbildende Elemente auf den Augenhintergrund 7 und insbesondere auf die darin befindlichen Blutgefäße und deren Umgebung gerichtet. Vom Augenhintergrund 7 reflektiertes Licht gelangt über den Aufzeichnungsstrahlengang 6 und über wiederum nicht dargestellte optisch abbildende Elemente zu einem bildgebenden AufZeichnungssystem, wofür im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Farbkamera 4 vorgesehen ist, deren Kamerasteuerung mit einer zentralen Steuer- und Auswerteeinheit, insbesondere einem Steuer- und Auswerterechner 8 verbunden ist. Auch ein Netzteil 9, welches zur Stromversorgung der beiden Beleuchtungsquellen 2 und 10 dient, ist mit dem Steuer- und Auswerterechner 8 verbunden und ebenso entsprechende Kippspiegelansteuerungen.
Es ist für die Erfindung unerheblich, ob nur die eine kontinuierliche Beleuchtungsquelle 2 oder nur die als Blitzbeleuchtungsquelle ausgeführte Beleuchtungsquelle 10 vorgesehen oder ob die beiden Quellen 2 und 10, wie in Fig. 1, gemeinsam verwendet werden, ebenso auch deren Einkopplung in den gemeinsamen Beleuchtungsstrahlengang 1, die in diesem Fall über einen Klappspiegel 11 in klassischer Weise erfolgt.
Von größerer Bedeutung ist jedoch, dass ausgehend von der spektralen Charakteristik der Farbkamera 4 die Filtereinrichtung 3 ausgewählt und in den Beleuchtungsstrahlengang 1 eingesetzt wird, so dass zur gleichzeitigen, farblich unterschiedlichen Beleuchtung des Augenhintergrundes 7 mindestens die Mess- und die Referenzwellenlänge λm und λj. erzeugt werden können, von denen jede auf einen der Farbkanäle FK (j = 1, 2, 3) der Farbkamera 4 hinsichtlich einer farblichen Übereinstimmung entsprechend Fig. 2 abgestimmt ist.
Als optische Filter 3 eignen sich Schichtenfilter, wie Dualbandpassfilter bis hin zu Triplebandpassfilter, die besonders zur nachträglichen Integration bevorzugt in einem Abschnitt mit parallelem Strahlenverlauf im Beleuchtungsstrahlengang 1 von bereits aufgebauten Systemen geeignet sind. Auch ein aus kreissektorförmigen Filterbereichen mit unterschiedlichen spektralen Filtereigenschaften zusammengesetzter, geometrisch strukturierter Filter, dessen Kreissektoren gleiche oder unterschiedliche Sektorflächeninhalte aufweisen können, sind geeignet, müssen aber in der Nähe der Aperturebene angeordnet werden.
Von den vorzugsweise über einen Bildverarbeitungs-Algorithmus bei λi = 548 nm zu identifizierenden Blutgefäßen sowie deren gefäßfreier Umgebung werden die Intensitäten der Reflexionen in den Bildern bestimmt, auf deren Grundlage die Sauerstoffsattigung in nachfolgend beschriebener Weise ermittelt wird. Das kann anhand einzelner Bildpunkte erfolgen, oder es wird in geeigneter Weise über mehrere Bildpunkte gemittelt .
Die den Blutgefäßen benachbarten Bildpunkte werden dann als Umgebung verwendet, wenn darin kein weiteres Gefäß erkannt wird. Nachdem die Gefäßrichtung bestimmt ist, wird senkrecht zu dieser Richtung über die Reflexionswerte aller zum Blutgefäß gehörenden Bildpunkte gemittelt . Dabei können spiegelnde Reflexe auf dem Blutgefäß von der Mittelung ausgeschlossen werden. Es ist auch möglich, dass in Gefäßrichtung mehrere, senkrecht zur Gefäßrichtung gemittelte Reflexionswerte bestimmt werden und dass über diese wiederum ein (gleitender) Mittelwert gebildet wird. In ähnlicher Weise kann auch die Mittelung in der Gefäßumgebung erfolgen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verhältnis der optischen Dichten ODR verwendet, das sich als Quotient der Logarithmen der Verhältnisse der Reflexion Ru von der gefäßfreien Umgebung und der Reflexion Rg auf einem Blutgefäß bei der Messwellenlänge λm und der Referenzwellenlänge X_ darstellen lässt:
Figure imgf000013_0001
Die Sauerstoffsattigung OS in % in dem betreffenden Blutgefäß bestimmt sich aus (1) als lineare Funktion
OS = 100 - {ODR - a) / b - c + d (2)
wobei das lineare Glied a als Offset und der Anstieg b aus Messreihen über eine genügend große Anzahl von Blutgefäßen empirisch zu bestimmen sind, beispielsweise durch den Vergleich mit Normalwerten entsprechend einem spektrometrischen Verfahren nach der DE 199 20 157 AI. Variable Größe c und d stellen Korrektive dar, wobei c zur Korrektur der Abhängigkeit der Sauerstoffsattigung vom Gefäßdurchmesser und d von der Pigmentierung der lokalen Umgebung des Blutgefäßes dient.
Die Korrektive c und d können für Arterien und Venen verschieden sein. Vorzugsweise kann die Unterscheidung zwischen Arterien und Venen anhand eines Schwellwertes für ODR getroffen werden und ist somit automatisierbar.
Die Korrektive c und d bestimmen sich als lineare Funktionen des Gefäßdurchmessers g bzw. der Pigmentierung i aus c = (e - g) ■ f (3!
bzw. d = (h - i) (4) wobei e und f sowie h und j als Konstanten in entsprechenden Messreihen empirisch so zu ermitteln sind, dass die Korrelation zwischen Gefäßdurchmesser und Sauerstoffsattigung verschwindet.
Während der Gefäßdurchmesser g separat gemessen werden kann, lässt sich die Melanin - Pigmentierung des Augenhintergrundes aus den Reflexionswerten in der lokalen Umgebung des Blutgefäßes bestimmen und ergibt sich aus
Figure imgf000014_0001
Zur Bestimmung des Gefäßdurchmessers g eignet sich besonders eine Methode gemäß der DE 196 48 935 AI, die den Gefäßdurchmesser g nach einer Gefäßkantenerkennung als Abstand zwischen interpolierend gebildeten fotometrischen Gefäßkantenschwerpunkten bei korrigierter Schräglage der Gefäßkanten ermittelt.
Handelt es sich bei dem Blutgefäß um eine Vene, ergeben die empirisch bestimmten Konstanten bei Verwendung einer beleuchtungsseitigen Filterung mit Transmissionsbereichen von λi = 548 nm + 5nm und Xm = 610 nm + 5nm sowie einer Farbkamera HVC 20A von Hitachi folgende Werte: a=0, 03556 b=0,0032 e=130 f=0,22 h=0,2339 j=55,5 Dagegen nehmen die Konstanten f und j für eine Arterie den Wert 0 an, wodurch die Korrektive c und d bei der Bestimmung der Sauerstoffsattigung entfallen. Die Werte a und b sind für Venen und Arterien gleich.
Die Klassifikation der Blutgefäße in Venen und Arterien erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren automatisch anhand eines ODR-Schwellwertes, wobei es sich bei ODR > 0,078 um eine Vene handelt, anderenfalls um eine Arterie.
Gemäß Fig. 3 werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach der automatischen, durch bildverarbeitende Mittel oder manuellen Erkennung der Blutgefäße Mittelwerte für die Intensität der Reflexion auf der Arterie bzw. der Vene bei der Messwellenlänge von λm = 610 nm und bei der als Referenzwellenlänge dienenden isosbestischen Wellenlänge von λi = 548 nm ermittelt. Außerdem wird die Intensität der Reflexion außerhalb der Blutgefäße, d. h. in der gefäßfreien Umgebung gemessen und daraus der Mittelwert gebildet. Randzonengebiete mit den verschiedensten störenden Einflüssen auf die Sauerstoffsättigungsrelevante Reflexion, wie z. B. Gefäßwandeinflüsse oder Schatten des Blutgefäßes auf seinem Untergrund, bleiben bei der Mittelwertbildung unberücksichtigt. Spiegelnde Reflexe auf den Blutgefäßen können automatisch durch bildverarbeitende Mittel oder manuell identifiziert und eliminiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Darstellung der Gefäßstruktur im Bild des biologischen Objektes, in der die Sauerstoffsattigung beispielsweise in Falschfarben kodiert wird. Durch den Vergleich mit Normalwerten können Gefäßabschnitte mit pathologisch veränderter Sauerstoffsattigung ermittelt und im Bild gekennzeichnet werden. Eine statistische Auswertung der Sauerstoffsattigung aller Blutgefäße im Bild erlaubt im Vergleich mit Normalwerten eine globale Aussage zu vorliegenden Pathologien.
Weitere diagnostisch wichtige Informationen liefert die Reaktion der Sauerstoffsattigung auf physiologische Provokationen oder Stimulationen (z. B. durch Beleuchtung des Auges mit Flickerlicht, Beatmung des Patienten mit Sauerstoff oder Carbogen) .
Hierfür kann die bildgebende Einrichtung gemäß der Fig. 1 zusätzliche, auch zur Stimulation oder Provokation der Blutgefäße geeignete Mittel aufweisen, wie z. B. einen in dem gemeinsamen Beleuchtungsstrahlengang 1 neben der Filtereinrichtung 3 angeordneten steuerbaren optischen Lichtmanipulator 12, dessen Ansteuermodul 13 eine Schnittstelle zu dem Steuer- und Auswerterechner 8 aufweist (gestrichelte Darstellung) . Der programmtechnisch auf vielfache Weise steuerbare Lichtmanipulator 12 stellt ein für sämtliche Beleuchtungsquellen zur Verfügung stehendes gemeinsames Element dar, das durch Modifizierung primären Lichtes, hier der kontinuierlich abstrahlenden Beleuchtungsquelle 2 und der Blitzbeleuchtungsquelle 10, Sekundärlicht erzeugt.
Der Lichtmanipulator ist dazu geeignet, das Licht mindestens einer Lichtquelle in seinem Intensitäts- und/oder Zeitverlauf mit einem zeitlich definierten Bezug zu den Einstellungen der mindestens einen Lichtquelle, der Bildaufnahme und der Auswertung zur adaptiven Anpassung an eine Untersuchungsau gabe programmtechnisch zu modifizieren. Das Sekundärlicht kann zur Beleuchtung und zur wahlweisen Provokation oder Stimulierung verwendet werden. Somit lässt sich durch die Beeinflussung der Beleuchtung mittels eines einzigen, in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordneten Elementes Multifunktionalität erreichen, indem das in dem Beleuchtungsstrahlengang geführte Licht in seinen Lichteigenschaften funktionsangepasst verändert wird.
Durch Aufnahme und Auswertung pulssynchroner Sequenzen von Bildern können Differenzen der Sauerstoffsattigung in Systole und Diastole als diagnostisches Merkmal gewonnen werden. Wird die gemessene Sauerstoffsattigung mit anderen, lokalen oder globalen Kenngrößen der Mikrozirkulation, wie dem Gefäßdurchmesser, der Geschwindigkeit des Blutflusses oder dem Blutdruck geeignet kombiniert, ist eine detaillierte Beschreibung der Sauerstoff ersorgung und des Stoffwechsels im Gewebe möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur spektralphotometrischen Ermittlung der Sauerstoffsattigung des Blutes in optisch zugänglichen Blutgefäßen durch Bestimmung der Intensität der Reflexion von den Blutgefäßen und deren gefäßfreier Umgebung anhand mindestens zweier spektral verschiedener Bilder und eines empirisch ermittelten Zusammenhanges zwischen der Sauerstoffsattigung und einem Verhältnis der Intensitäten der Reflexion von den Blutgefäßen und ihrer gefäßfreien Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass die Blutgefäße und deren Umgebung zur Aufnahme der spektral verschiedenen Bilder gleichzeitig mit mindestens einer Messwellenlänge und mindestens einer Referenzwellenlänge einer Beleuchtungsstrahlung beleuchtet werden, und dass jede Mess- und Referenzwellenlänge auf je einen Farbkanal einer zur Aufnahme der Bilder dienenden Farbkamera abgestimmt ist, um von diesem Farbkanal empfangen zu werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messwellenlänge eine Wellenlänge dient, bei der sich die Reflexion von oxygeniertem und reduziertem Hämoglobin unterscheidet und als Referenzwellenlänge eine isosbestische Wellenlänge des Hämoglobins vorgesehen ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffsattigung als lineare Funktion des Quotienten der logarithmierten Reflexionsverhältnisse in der gefäßfreien Umgebung und auf dem Blutgefäß bei der Messwellenlänge und der isosbestischen Wellenlänge bestimmt wird, und dass der Anstieg und das lineare Glied der linearen Funktion empirisch aus Messreihen an mehreren Blutgefäßen ermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Störungen durch eine Abhängigkeit der Sauerstoffsattigung vom Gefäßdurchmesser und von der Pigmentierung der Umgebung der Blutgefäße durch empirisch ermittelte und additiv zu berücksichtigende Korrektive kompensiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrektiv zur Kompensation des Einflusses des Gefäßdurchmessers eine lineare Funktion des Gefäßdurchmessers ist, deren Anstieg und lineares Glied empirisch bestimmt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Korrektiv zur Kompensation des Einflusses der Pigmentierung der Umgebung der Blutgefäße eine lineare Funktion der Pigmentierung ist, deren Anstieg und lineares Glied empirisch bestimmt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pigmentierung der Umgebung der Blutgefäße durch den Logarithmus des Quotienten der Reflexionswerte von der Umgebung der Blutgefäße bei der Messwellenlänge und der isosbestischen Wellenlänge bestimmt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Arterien und Venen anhand des Quotienten der logarithmierten Reflexionsverhältnisse in der gefäßfreien Umgebung des Blutgefäßes und auf dem Blutgefäß bei der Messwellenlänge und der isosbestischen Wellenlänge unterschieden werden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennung der Blutgefäße und deren Richtung sowie der gefäßfreien Umgebung automatisch durch bildverarbeitende Mittel oder manuell erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zur Richtung des Blutgefäßes über die Reflexionswerte aller zum Blutgefäß gehörenden Bildpunkte gemittelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Richtung des Blutgefäßes mehrere, senkrecht zur Richtung des Blutgefäßes gemittelte Reflexionswerte bestimmt werden, über die der Mittelwert gebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass spiegelnde Reflexe auf den Blutgefäßen automatisch durch bildverarbeitende Mittel oder manuell identifiziert und eliminiert werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Sauerstoffsattigung als Reaktion auf physiologische Provokationen oder Stimulationen durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die physiologischen Provokationen oder Stimulationen durch Flickerlicht hervorgerufen werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass Licht mindestens einer Lichtquelle durch einen in einem Beleuchtungsstrahlengang einer bildgebenden Einrichtung angeordneten Lichtmanipulator programmtechnisch modifiziert wird, und dass das modifizierte Licht zur Beleuchtung und zur wahlweisen Provokation oder Stimulierung verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die physiologischen Provokationen oder Stimulationen durch Beatmung des Probanden mit Sauerstoff hervorgerufen werden.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die physiologischen Provokationen oder Stimulationen durch eine Beatmung des Probanden mit Carbogen hervorgerufen werden.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Darstellung der Struktur der Blutgefäße erstellt wird, in der die Sauerstoffsattigung kodiert ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Darstellung der Struktur der Blutgefäße erstellt wird, in der die Blutgefäße mit pathologischer Sauerstoffsattigung markiert werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sauerstoffsättigungswerten aus einem Gewebeareal bestimmt wird, aus denen durch statistische Auswertung Ergebnisse zur SauerstoffVersorgung und zum Sauerstoffverbrauch in dem Gewebeareal gewonnen werden.
21. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis • 17, dadurch gekennzeichnet, dass aus Aufnahmen pulssynchroner Sequenzen von Bildern Differenzen der Sauerstoffsattigung in Systole und Diastole als diagnostisches Merkmal gewonnen werden.
22. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffsattigung in Kombination mit anderen lokalen oder globalen Kenngrößen der MikroZirkulation, wie dem Gefäßdurchmesser, der Geschwindigkeit des Blutflusses oder dem Blutdruck zur Feststellung der Sauerstoffversorgung und des Stoffwechsels in einem Gewebeareal verwendet wird.
23. Verfahren zur spektralphotometrischen Ermittlung der Sauerstoffsattigung des Blutes in optisch zugänglichen Blutgefäßen durch Bestimmung der Intensität der Reflexion von den Blutgefäßen und deren gefäßfreier Umgebung anhand mindestens zweier spektral verschiedener Bilder und eines empirisch ermittelten Zusammenhanges zwischen der Sauerstoffsattigung und einem Verhältnis der Intensitäten der Reflexion von den Blutgefäßen und ihrer gefäßfreien Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffsattigung als lineare Funktion des Quotienten der logarithmierten Reflexionsverhältnisse in der gefäßfreien Umgebung und auf dem Blutgefäß bei einer Messwellenlänge, bei der sich die Reflexion von oxygeniertem und reduziertem Hämoglobin unterscheidet und einer isosbestischen Wellenlänge des Hämoglobins als Referenzwellenlänge bestimmt wird, und dass der Anstieg und das lineare Glied der linearen Funktion empirisch aus Messreihen an mehreren Blutgefäßen ermittelt werden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass Störungen durch eine Abhängigkeit der Sauerstoffsattigung vom Gefäßdurchmesser und von der Pigmentierung der Umgebung der Blutgefäße durch empirisch ermittelte und additiv zu berücksichtigende Korrektive kompensiert werden.
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