WO2009043554A1 - Verfahren und messeinrichtung zur erhebung spektrometrischer messsignale aus vitalem gewebe - Google Patents

Verfahren und messeinrichtung zur erhebung spektrometrischer messsignale aus vitalem gewebe Download PDF

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Michael Schietzel
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    • A61B5/441—Skin evaluation, e.g. for skin disorder diagnosis

Definitions

  • the invention is directed to a method and a measuring device for collecting spectrometric measuring signals from vital tissue.
  • Measuring methods are known in which an analysis of vital tissue is accomplished by attaching a mobile spectrometer to a corresponding tissue region and recording the spectrum of remission light emerging from the tissue via this mobile spectrometer. On the basis of the spectrum thus recorded, a wide variety of substances present in the examined tissue region can be detected.
  • the invention has for its object to provide solutions by which measured values can be generated by means of a spectrometric measurement, which provide more comprehensive information compared to the aforementioned previous recording approaches.
  • This object is achieved according to the invention by a method for generating spectrometric measurement signals in which:
  • Light is coupled into a vital tissue region to be examined
  • Tissue region is fed to a spectrometer device, and the spectrometer device generates measurement signals which as such are the intensity of the
  • the inventive concept determines which of the substances appearing in the recorded spectra are subject to vasomotion or other action caused by vital processes. These substances can be assigned to a subsystem based on the kinematic profile recorded by the consequences of the spectra. In particular, it is possible by the inventive concept to determine which substances are incorporated into the bloodstream and which substances are substantially static in the tissue surrounding the bloodstream tissue systems. According to a particularly preferred embodiment of the invention, the indicative of the temporal course of the spectra data are recorded by the spectrometrically resolved wavelengths, the data are assigned to the time course of the intensity.
  • This storage can be done in particular by applying a data field for the recording of the spectrum, which contains data for each resolved wavelength value, which as such describe the time profile of the intensity, in particular the intensity dynamics.
  • intensity dynamics data can in particular be stored as members of a series, in particular FFT parameters.
  • the dynamic features generated according to the invention for the temporal change of the remission light spectrum can also be based on an evaluation method, whereby evaluation results are generated via this evaluation method, which as such describe or typify the physiological condition of a person.
  • Figure 1 is a schematic diagram illustrating the approach of the invention for generating a sequence of spectra and the inclusion of the hereby detected, caused by vital processes dynamic spectrum changes for the assignment of substances to certain tissue, or capillary.
  • FIG. 1 serves as an illustration of the method according to the invention for generating spectrometric measuring signals.
  • light L is coupled into a tissue region G to be examined by means of a light source 1 embodied here as a diode.
  • the light R emerging from this tissue region G is supplied to a spectrometer device 2, which is indicated here only by way of example as a prism.
  • a spectrometer device 2 which is indicated here only by way of example as a prism.
  • the light emerging from the tissue area to be examined light is decomposed into its spectral components.
  • the intensity I (alternatively optical density OD) of the remission light R represent assignment to the wavelength ⁇ .
  • the method according to the invention is characterized in that the measurement is processed in such a way that it extends over a time period T and that for this time period T data are generated which map the time profile of the intensity of the resolved wavelengths.
  • the remission light R supplied to the spectrometer device 2 contains light from different zones of the tissue region G.
  • this light contains fractions which are caused, for example, by substances flowing through capillary K of the tissue region G.
  • the remission light R also contains spectral components of substances which originate from zones H of the tissue region in which no special dynamic changes of substance presence occur.
  • the intensity of the spectra which are caused by substances that flow as such through the capillaries K, change in the example shown here in accordance with a Pulsomters made by Vasomotion.
  • this pulse pattern can be seen, in particular, for certain wave spectral components in the range from 650 to 900 nanometers in the characteristic diagram recognizable here.
  • the inventive concept consists in recognizing within a sum spectrum the spectral contributions of those substances whose presence alternates by vital mechanical effects. This makes it possible to isolate the spectrum of a pulsating liquid in a cloudy medium.
  • the temperature of the static tissue essentially corresponds to the temperature of the pulsating fluid.
  • the body is completely permeable and absorbs the fluid characteristically (such as blood), then the pulsating current can be measured by absorption changes by means of spectroscopic methods.
  • the recording of the temporal course of the intensity takes place with a resolution which supports evaluation-relevant vital kinematic effects per interval with at least five measuring points.

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Abstract

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Erhebung spektrometrischer Messsignale aus vitalem Gewebe. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen, durch welche im Wege einer spektrometrischen Messung Messwerte generiert werden können, die gegenüber vorgenannten bisherigen Aufzeichnungsansätzen umfassendere Informationen liefern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Generierung von spektrometrischen Messsignalen bei welchem Licht (L) in einen zu untersuchenden vitalen Gewebebereich (G) eingekoppelt wird, Remissionslicht (R) das als solches aus dem zu untersuchenden Gewebebereich austritt einer Spektrometereinrichtung zugeführt wird, und über die Spektrometereinrichtung Messsignale generiert werden die als solche die Intensität des Remissionslichtes unter Zuordnung zur Wellenlänge darstellen, wobei die Messung derart abgewickelt wird, dass sich diese über einen Zeitraum (T) hinweg erstreckt, und dass für diesen Zeitraum (T) Daten generiert werden die den zeitlichen Verlauf der Intensität der aufgelösten Wellenlängen abbilden. Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, im Rahmen der Durchführung der spektrometrischen Messung Signale zu generieren, die als solche eine Zuordnung bestimmter Stoffe, wie z.B. die Blutinhaltsstoffe Cholesterin und Zucker, zu bestimmten Zonen des untersuchten Gewebebereichs ermöglichen.

Description

Verfahren und Messeinrichtung zur Erhebung spektrometrischer
Messsignale aus vitalem Gewebe
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Erhebung spektrometrischer Messsignale aus vitalem Gewebe.
Es sind Messverfahren bekannt, bei welchen eine Analyse von vitalem Gewebe bewerkstelligt wird, indem an einen entsprechenden Gewebebereich ein mobiles Spektrometer angesetzt wird, und über dieses mobile Spektrometer das Spektrum von aus dem Gewebe austretendem Remissionslicht aufgezeichnet wird. Anhand des so aufgezeichneten Spektrums können verschiedenste in dem untersuchten Gewebebereich vorhandene Substanzen erkannt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen, durch welche im Wege einer spektrometrischen Messung Messwerte generiert werden können, die gegenüber vorgenannten bisherigen Aufzeichnungsansätzen umfassendere Informationen liefern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Generierung von spektrometrischen Messsignalen bei welchem:
Licht in einen zu untersuchenden vitalen Gewebebereich eingekoppelt wird,
Remissionslicht das als solches aus dem zu untersuchenden
Gewebebereich austritt einer Spektrometereinrichtung zugeführt wird, und über die Spektrometereinrichtung Messsignale generiert werden die als solche die Intensität des
Remissionslichtes unter Zuordnung zur Wellenlänge darstellen, wobei die Messung derart abgewickelt wird, dass sich diese über einen Zeitraum (T) hinweg erstreckt, und dass für diesen Zeitraum (T) Daten generiert werden die den zeitlichen Verlauf der Intensität der aufgelösten
Wellenlängen abbilden.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, im Rahmen der Durchführung der spektrometrischen Messung Signale zu generieren, die als solche eine Zuordnung bestimmter Stoffe zu bestimmten Zonen des untersuchten Gewebebereichs ermöglichen.
Insbesondere wird es auf Grundlage des erfindungsgemäßen Konzeptes möglich, festzustellen, welche der in den aufgezeichneten Spektren auftauchenden Stoffe einer Vasomotion oder anderweitigen durch Vitalprozesse verursachten Einwirkung unterliegen. Diese Stoffen können anhand des durch die Folgen der Spektren aufgezeichneten kinematischen Profils einem Untersystem zugeordnet werden. Insbesondere wird es durch das erfindungsgemäße Konzept möglich, festzustellen, welche Stoffe in die Blutbahn und welche Stoffe im wesentlichen statisch in die, die Blutbahn umgebenden Gewebesysteme eingebunden sind. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Spektren indikativen Daten aufgezeichnet indem den spektrometrisch aufgelösten Wellenlängen die Daten zum zeitlichen Verlauf der Intensität zugeordnet werden. Diese Speicherung kann insbesondere erfolgen indem für die Aufzeichnung des Spektrums ein Datenfeld angelegt wird, das zu jedem aufgelösten Wellenlängenwert Daten enthält, die als solche die den zeitlichen Verlauf der Intensität, insbesondere die Intensitätsdynamik beschreiben. Diese Daten zur Intensitätsdynamik können insbesondere als Glieder einer Reihe, insbesondere FFT-Parameter abgelegt werden.
Anhand der so aufgezeichneten Dynamikmerkmale kann eine Zuordnung der in dem Summenspektrum enthaltenen Einzelspektren sowie der dadurch charakterisierten Stoffe zu bestimmten Gewebe-, Kapillar- oder Fluidsystemen bewerkstelligt werden.
Wie bereits angegeben ist es möglich, anhand der erfindungsgemäß generierten Dynamikmerkmale festzustellen, ob sich ein Stoff in der Blutbahn befindet. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es auch möglich, unter Verwertung der erfindungsgemäß erhobenen Dynamikmerkmale und anhand der zeitlichen Änderungen der Summenspektren eine Berechnung von Stoffkonzentrationen vorzunehmen. Diese Stoffkonzentrationen können dabei insbesondere auf Grundlage eines Ansatzes errechnet werden, der berücksichtigt, dass sich die Gesamtkonzentration eines über das
Gesamtremissionslichtspektrum erfassten Stoffes aus den Teilkonzentrationen dieses Stoffes in den einzelnen Gewebesystemen, insbesondere den Gewebe-, Kapillar- oder Fluidsystemen ergibt. Die erfindungsgemäß für die zeitliche Änderung des Remissionslichtspektrums generierten Dynamikmerkmale können gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung auch einem Auswertungsverfahren zugrunde gelegt werden, wobei über dieses Auswertungsverfahren Auswertungsergebnisse generiert werden, die als solche den physiologischen Zustand einer Person beschreiben oder typisieren.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
Figur 1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Ansatzes zur Generierung einer Seguenz von Spektren und der Heranziehung der hierbei erfassten, durch Vitalprozesse verursachten dynamischen Spektrumsänderungen zur Zuordnung von Stoffen zu bestimmten Gewebe-, oder Kapillarsystemen.
Die Darstellung nach Figur 1 dient als solche der Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Generierung von spektrometrischen Messsignalen.
Nach diesem Verfahren wird durch eine hier als Diode ausgeführte Lichtquelle 1 Licht L in einen zu untersuchenden Gewebebereich G eingekoppelt. Das aus diesem Gewebebereich G austretende Licht R wird einer, hier nur beispielhaft als Prisma angedeuteten, Spektrometereinrichtung 2 zugeführt. Über diese Spektrometereinrichtung 2 wird das aus dem zu untersuchenden Gewebebereich austretende Licht in seine Spektralanteile zerlegt. Im Wege dieser Spektralzerlegung werden Messsignale M generiert, die als solche die Intensität I (alternativ optische Dichte OD) des Remissionslichtes R unter Zuordnung zur Wellenlänge λ darstellen. Diese Messignale werden fortlaufend digital gespeichert.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Messung derart abgewickelt wird, dass sich diese über einen Zeitraum T hinweg erstreckt und dass für diesen Zeitraum T Daten generiert werden, die den zeitlichen Verlauf der Intensität der aufgelösten Wellenlängen abbilden. Bei dem hier angedeuteten Messbeispiel beinhaltet das der Spektrometereinrichtung 2 zugeführte Remissionslicht R Licht aus verschiedenen Zonen des Gewebebereiches G. Insbesondere enthält dieses Licht Fraktionen, die beispielsweise durch Substanzen verursacht sind, die durch Kapillare K des Gewebebereiches G fließen. Weiterhin enthält das Remissionslicht R auch Spektralanteile von Substanzen, die aus Zonen H des Gewebebereiches stammen, in welchen keine besonderen dynamischen Änderungen von Stoffpräsenzen auftreten. Die Intensität der Spektren, die durch Substanzen verursacht sind, die als solche durch die Kapillaren K fließen, ändern sich bei dem hier gezeigten Beispiel nach Maßgabe eines durch Vasomotion verusachten Pulsmusters. Dieses Pulsmuster ist bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere für bestimmte Wellenspektralanteile im Bereich von 650 bis 900 Nanometern in dem hier erkennbaren Kennfeld ersichtlich.
Das erfindungsgemäße Konzept besteht darin, innerhalb eines Summenspektrums die Spektralbeiträge jener Substanzen zu erkennen deren Präsenz durch vitalmechanische Effekte alterniert. Dadurch wird es möglich das Spektrum einer pulsierenden Flüssigkeit in einem trüben Medium zu isolieren.
Bei belebtem Gewebe, insbesondere blutdurchflossener Haut entspricht die Temperatur des statischen Gewebes im wesentlichen der Temperatur der pulsierenden Flüssigkeit. Ist der Körper völlig durchlässig und absorbiert die Flüssigkeit charakteristisch (wie z.B. Blut), dann kann der pulsende Strom mit Hilfe spektroskopischer Methoden durch Absorptionsänderungen gemessen werden. Vorzugsweise erfolgt die Aufzeichnung des zeitlichen Verlaufs der Intensität mit einer Auflösung die auswertungsrelevante vitalkinematische Effekte je Intervall mit wenigstens mit fünf Messpunkten stützt .
Misst man nun an verschiedenen Wellenlängen, erhält man in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Absorption an unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedliche Pulsamplituden. Ordnet man die Amplitudendifferenzen den Wellenlängen zu, erhält man ein Spektrum der pulsenden Flüssigkeit. Dieses Differenzspektrum ist nicht von der Umgebungssubstanz gestört. Ist das Spektrum der Flüssigkeit bekannt, so können beigemischte Substanzen anhand der Absorptionsänderung gegenüber dem bekannten Spektrum detektiert werden.
Auf Grundlage des erfindungsgemäßen Konzeptes wird es insbesondere möglich, Blutinhaltsstoffe, wie Cholesterin und Zucker, auf optischem Wege zuverlässig zu erkennen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Generierung von spektrometrischen Messsignalen bei welchem:
Licht in einen zu untersuchenden vitalen Gewebebereich eingekoppelt wird,
Remissionslicht das als solches aus dem zu untersuchenden
Gewebebereich austritt einer Spektrometereinrichtung zugeführt wird, und über die Spektrometereinrichtung Messsignale generiert werden die als solche die Intensität des
Remissionslichtes unter Zuordnung zur Wellenlänge darstellen, wobei die Messung derart abgewickelt wird, dass sich diese über einen Zeitraum (T) hinweg erstreckt, und dass für diesen Zeitraum (T) Daten generiert werden die den zeitlichen Verlauf der Intensität der aufgelösten
Wellenlängen beschreiben.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb . des Zeitraums (T) eine Vielzahl von Spektren aufgezeichnet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs der Intensität der aufgelösten Wellenlängen indikativen Daten unter Zuordnung zu den Wellenlängen gespeichert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Aufzeichnung des Spektrums ein Datenfeld angelegt wird, das zu jedem aufgelösten Wellenlängenwert Daten enthält die als solche den Intensitätsverlauf oder die Intensitätsdynamik beschreiben.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten zur Intensitätsdynamik als FFT-Parameter abgelegt werden .
6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anhand von Dynamikmerkmalen eine Zuordnung von Spektren zu Gewebe-, Kapillar-, und/oder Fluidsystemen bewerkstelligt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der Dynamikmerkmale festgestellt wird, ob ein Stoff sich in der Blutbahn befindet.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis , dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwertung der Dynamikmerkmale eine Berechnung von Stoffkonzentrationen erfolgt .
9. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass unter Verwertung der Dynamikmerkmale eine Berechnung der Stoffkonzentrationen der Stoffe im jeweiligen Gewebe-, Kapillar-, und/oder Fluidsystem erfolgt .
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dynamikmerkmale einem Auswertungsverfahren zugrunde gelegt werden, wobei über dieses Auswertungsverfahren Auswertungsergebnisse generiert werden die als solche den physiologischen Zustand einer Person beschreiben.
11. Verfahren zur Generierung eines für den vasomotorischen Zustand einer Person indikativen Signales bei welchem Licht in einen Gewebebereich eingekoppelt wird, das aus dem Gewebebereich austretende Licht spektral zerlegt wird, und anhand des zeitlichen Verlaufs der Intensität bestimmter Wellenlängen ein den vasomotorischen Zustand der Person typisierendes Auswertungsergebnis generiert wird.
12. Mobiles Spektrometer mit einer Speichereinrichtung und einer Auswertungsschaltung, wobei dieses Spektrometer derart konfiguriert ist, dass durch dieses eine Messung durchführbar ist bei welcher:
Licht in einen zu untersuchenden vitalen Gewebebereich eingekoppelt wird,
Remissionslicht das als solches aus dem zu untersuchenden
Gewebebereich austritt einer Spektrometereinrichtung zugeführt wird, und über die Spektrometereinrichtung Messsignale generiert werden die als solche die Intensität des
Remissionslichtes unter Zuordnung zur Wellenlänge darstellen, wobei die Messung derart abgewickelt wird, dass sich diese über einen Zeitraum (T) hinweg erstreckt, und dass für diesen Zeitraum (T) Daten generiert werden die den zeitlichen Verlauf der Intensität der aufgelösten
Wellenlängen beschreiben.
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