WO2015055718A1

WO2015055718A1 - Thermostimulator

Info

Publication number: WO2015055718A1
Application number: PCT/EP2014/072118
Authority: WO
Inventors: Harald SCHLÜTZ; Stefanie FRINGS; Markus VALDOR; Kaspar BAUSCH
Original assignee: Grünenthal GmbH
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2015-04-23

Abstract

Ein Thermostimulator zur Erwärmung von lebendem Gewebe zur Erzeugung einer Schmerzreaktion umfasst einen Kontroller (110), einen Treiber (120), ein Leuchtmittel (132), einen Lichtleiter (150) und einen Infrarotsensor (160), wobei das Leuchtmittel (132) ein Breitbandemitter ist, wobei der Infrarotsensor (160) eingerichtet ist, eine Oberflächentemperatur einer Zieloberfläche in einer vordefinierten Zieldistanz berührungslos zu bestimmen und die so bestimmte Oberflächentemperatur dem Kontroller (110) zur Verfügung zu stellen, wobei der Kontroller (1 10) eingerichtet ist, das Leuchtmittel (132) mittels des Treibers (120) basierend auf der zur Verfügung gestellten Oberflächentemperatur so zu steuern, dass ein von dem Leuchtmittel ausgehender Lichtstrom über den Lichtleiter (150) auf die Zieloberfläche gerichtet wird, so dass ein Zielvolumen, das an einer Seite durch die Zieloberfläche begrenzt wird, so aufgeheizt werden kann, dass die Oberflächentemperatur der Zieloberfläche von einer Zieltemperatur um weniger als 1°C abweicht.

Description

Thermostimulator

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Thernnostinnulator zur Erwärmung von lebendem Gewebe und ein Schmerzmessgerät, das einen solchen Thermostimulator umfasst. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur

Thermostimulierung von lebendem Gewebe und ein auf diesem Verfahren beruhendes Verfahren zur Schmerzmessung.

Hintergrund der Erfindung

Elektrophysiologische, thermisch induzierte Schmerzmodelle verwenden üblicherweise Laser- oder Peltierelemente, sowie vortemperiertes Wasser als Stimulus. Eine berührungslose Messung der Oberflächentemperatur auf der Haut ist bei nur bei der Verwendung von Lasern möglich. Die berührungslose Messung hat aber den Nachteil, dass sich die Oberflächentemperatur in Folge der Kühlung durch den umgebenden Luftstrom in nicht akzeptabler Weise von der Temperatur des unter der Oberfläche befindlichen Volumens abweicht. Des Weiteren hat es sich als schwierig herausgestellt eine über einen längeren Zeitraum konstante thermische Reizung zu gewährleisten.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Thermostimulator und ein verbessertes den Thermostimulator umfassendes Schmerzmessgerät zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch einen Thermostimulator gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Schmerzmessgerät gemäß Anspruch 13 gelöst. Der Thermostimulator zur Erwärmung von lebendem Gewebe, wobei der Thermostimulator zur Erzeugung einer Schmerzreaktion eingerichtet ist, umfasst einen Kontroller, einen Treiber, ein Leuchtmittel, einen Lichtleiter und einen Infrarotsensor. Das Leuchtmittel ist ein Breitbandemitter, wobei sich Breitbandemitter im Wesentlichen dadurch auszeichnen, dass das

Emissionsspektrum kontinuierlich über einen Wellenlängenbereich ausgedehnt ist. Dieser kontinuierliche Wellenlängenbereich erstreckt sich vorzugsweise zumindest über die Teile des nahen Infrarotbereich der den IR-A Bereich (0,78 - 1 ,4 μιτι) und Teile des IR-B Bereichs bis 2 μιτι. Der Breitbandemitter ist vorzugsweise als thermischer Strahler ausgestaltet ist. Der Thermische

Strahler ist dabei vorzugsweise ein Halogenleuchtmittel, das mindestens 50% einer maximalen Intensität bei einer Wellenlänge von 800 nm emittiert und die maximale Intensität bei einer Wellenlänge größer 900 nm emittiert. Der Infrarotsensor ist zur berührungslosen Messung einer Oberflächentemperatur einer Zieloberfläche in einer vordefinierten Zieldistanz eingerichtet. Die so bestimmte Oberflächentemperatur kann dem Kontroller zur Regelung des Leuchtmittels zur Verfügung gestellt werden, wobei die Messdaten z.B. aktiv vom Infrarotsender übermittelt werden oder aber vom Kontroller abgerufen werden. Der Kontroller ist derart eingerichtet, dass das Leuchtmittel mittels des Treibers basierend auf der zur Verfügung gestellten Oberflächentemperatur gesteuert werden kann. Ein von dem Leuchtmittel ausgehender Lichtstrom, der über den Lichtleiter auf die Zieloberfläche gerichtet wird, kann auf diese Weise, so geregelt werden, dass ein Zielvolumen, das an einer Seite durch die Zieloberfläche begrenzt wird, so aufgeheizt wird, dass die

Oberflächentemperatur der Zieloberfläche von einer Zieltemperatur um weniger als 1 °C, vorzugsweise weniger als 0,5°C, abweicht. Die Verwendung eines Breitbandemitters hat den Vorteil, dass insbesondere der Anteil des emittierten Spektrums im langwelligen Bereich ab ca. 1200nm im Wesentlichen bereits in der Oberhaut eines Menschen oder eines entsprechend

ausgesuchten Tieres absorbiert werden. Die spektrale Verteilung des vom Leuchtmittel emittierten Licht weist somit neben einem spektralen Anteil, der bis in die Unterhaut vordringt, vorzugsweise einen spektralen Anteil auf, der zu mehr als 80 % in der Oberhaut eines Menschen absorbiert wird. Auf diese Weise werden die Hautoberfläche und das unmittelbar unter der beleuchteten Hautoberfläche liegenden Volumen stärker erhitzt als die tieferliegenden Hautschichten wie der Lederhaut und die Unterhaut. Die Kühlung der

Hautoberfläche durch Konvektion der umgebenden Luft bei berührungsloser Messung wird somit zumindest teilweise kompensiert. Eine Differenz der Temperatur im Volumen unterhalb der bestrahlten Hautoberfläche und der mittels des Infrarotsensors berührungslos gemessenen Temperatur der

Hautoberfläche kann somit verringert werden. Dies kann eine verbesserte Steuerung und Bewertung von durch einen thermischen Reiz erzeugten

Nervenreaktionen ermöglichen. Des Weiteren kann die Gefahr einer

Ödembildung in Folge einer stärkeren Erwärmung der unteren Hautschichten im Vergleich zur luftgekühlten Hautoberfläche vermindert werden. Dies ist bei berührungsloser Messung der Oberflächentemperatur in Verbindung mit einem Linienemitter wie z.B. Laser nur schwer zu gewährleisten. Laserlicht vermeidet aufwendige Optiken in der Nähe der zu erwärmenden Oberfläche. Eine berührungslose Temperaturmessung wird somit vereinfacht, und es wird ebenfalls eine z.B. parallele mechanische oder elektrische Reizung der

Zieloberfläche auf einfache Weise ermöglicht. Der Vorteil des kohärenten Laserlichts, das eine hohe Parallelität (sehr geringe Etendue) aufweist und somit optisch einfach manipuliert werden kann, zeigt somit unerwartete

Nachteile in Hinblick auf die Temperaturmessung. Der Thermostimulator ist vorzugsweise dazu eingerichtet die Zieloberfläche auf eine Temperatur bis 52 °C aufzuheizen, wobei die Zieloberfläche mindestens 50 mm² groß ist. Wird der Thermostimulator für eine Einfachmessung verwendet, dann ist er vorzugsweise dazu eingerichtet, die Zieloberfläche auf eine Temperatur von 52 °C aufzuheizen, wobei die Zieloberfläche mindestens 50 mm² groß ist. Bei dieser Oberflächentemperatur können keine wiederholten Messungen stattfinden, da ansonsten eine Schädigung des Gewebes eintritt (z.B. Ödembildung).

Wird der Thermostimulator für wiederholte Messungen oder Messungen über einen längeren Zeitraum verwendet, dann ist er dazu eingerichtet, die

Zieloberfläche auf eine Temperatur im Bereich von 40 °C bis 50 °C, bevorzugt im Bereich von 42 °C bis 48 °C, ganz besonders bevorzugt auf eine

Temperatur im Bereich von 44 °C bis 46 °C aufzuheizen, wobei die

Zieloberfläche mindestens 50 mm² groß ist.

Es hat sich gezeigt, dass reproduzierbare Schmerzreaktionen eine bestimmte Mindestanzahl von Schmerzrezeptoren im erwärmten Volumen bedingen. Der Thermostimulator ist dementsprechend so ausgelegt, dass eine Oberfläche von mindestens 50 mm² vorzugsweise mindestens 100 mm² so beleuchtet wird, dass die bestrahlte Zieloberfläche und das darunterliegende Zielvolumen möglichst gleichmäßig auf Temperaturen von bis zu 50°C erwärmt werden können.

Die Schmerzreaktion ist zudem vorzugsweise über einen längeren Zeitraum gleichmäßig aufrecht zu erhalten. Dies ermöglicht es in reproduzierbarer Weise die Schmerzreaktion als solche sowie die Veränderungen in der

Schmerzreaktion in Folge von zusätzlichen z.B. mechanischen Reizen oder aber z.B. verabreichten schmerzreduzierenden Wirkstoffen (Analgesika) zuverlässig über die Zeit zu beobachten . Der Thermostimulator ist

dementsprechend vorzugsweise dazu eingerichtet, die Zieloberfläche über einen Zeitraum von mehr als einer Minute auf der Zieltemperatur in oben genannten Bereichen zu halten. Besonders bevorzugt ist, dass die

Zieltemperatur über einen Zeitraum von mehr als 30 Minuten, 60 Minuten oder sogar 90 Minuten mit einer Genauigkeit von +/- 1 °C vorzugsweise +/-0,5°C eingehalten werden kann, so dass ohne zusätzliche Maßnahmen (mechanische Reize) eine konstante Schmerzreaktion über den Zeitraum von mehr als 30 Minuten, 60 Minuten, 90 Minuten oder 120 Minuten gewährleistet werden kann. Der Thermostimulator ist vorzugsweise dazu eingerichtet eine

Intensitätsverteilung auf der Zieloberfläche zu erzeugen, die ein relatives Minimum in der Mitte der Zieloberfläche aufweist. Die Erwärmung des

Zielvolumens soll so gleichmäßig wie möglich erfolgen. In dieser Hinsicht hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, eine kreisrunde Zieloberfläche in einem ringförmigen Bereich mit einer höheren Lichtintensität zu bestrahlen als im zentralen Bereich der Zieloberfläche. Auf diese Weise wird verhindert, dass der zentrale Bereich der Zieloberfläche und das darunter befindliche

Zielvolumen stärker erhitzt werden als die umgebenden Bereiche. Dies könnte eine Verfälschung der Temperaturmessung zur Folge haben, da bei flächig ausgedehnten Temperaturmesspunkten nur Mittelwerte ermittelt werden würden, die die wahre Temperaturverteilung nicht korrekt wiedergeben. Bei sehr kleinen Temperaturmesspunkten besteht die Gefahr, dass bereits kleine Verschiebungen der Temperaturmesspunkte auf der Zieloberfläche zu signifikanten Temperaturschwankungen führen. Beides könnte eine

reproduzierbare Messung einer Schmerzreaktion erschweren.

Der Thermostimulator weist vorzugsweise einen Reflektor auf, wobei das Leuchtmittel und der Reflektor relativ zueinander verfahrbar sind. Das

Leuchtmittel ist entlang der optischen Achse des Reflektors so verfahrbar, dass der Lichtstrom des vom Leuchtmittel emittierten Lichts so eingestellt werden kann, dass eine maximale Intensität auf der Zieloberfläche bei einer

gegebenen elektrischen Eingangsleistung erreicht wird. Zu diesem Zweck ist die dem Leuchtmittel zugeordnete Seite des Lichtleiters im Fokusbereich des Reflektors angeordnet, um Intensitätsverluste zu minimieren. Der Lichtleiter ist vorzugsweise zylindrisch und vorzugsweise mit einer reflektierenden Beschichtung auf der Zylinderoberfläche versehen bzw. alternativ von einer reflektierenden Umhüllung umgeben. Es hat sich zudem herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, wenn die dem Leuchtmittel zugewandte Seite des Lichtleiters plan ist. Im Falle eines zylindrischen Lichtleiters weist der Lichtleiter somit auf der dem Leuchtmittel zugewandten Seite eine kreisrunde ebene Fläche auf. Die vom Leuchtmittel abgewandte Seite des Lichtleiters ist hingegen vorzugsweise konvex gekrümmt. Eine konvexe Krümmung der vom

Leuchtmittel abgewandten Seite des Lichtleiters hat sich insbesondere bei der effektiven Auskopplung des in den Lichtleiter eingekoppelten Lichts als vorteilhaft erwiesen. Des Weiteren unterstützt die konvexe Krümmung der vom Leuchtmittel abgewandten Seite des Lichtleiters eine Intensitätsverteilung auf der Zieloberfläche, die ein relatives Minimum vorzugsweise in der Mitte der Zieloberfläche aufweist. Der Krümmungsradius der konvex gekrümmten Oberfläche des Lichtleiters entspricht bei einem zylindrischen Lichtleiter vorzugsweise dem Radius des Lichtleiters. Bei einem Lichtleiter mit einem Durchmesser von 8 mm beträgt der Krümmungsradius somit beispielsweise 4 mm.

Der Thermostimulator weist vorzugsweise einen Treiber auf, der eine gewünschte elektrische Eingangsleistung innerhalb von 0,5 Sekunden, vorzugsweise in weniger als 0,5 Sekunden, an dem Leuchtmittel bereitstellen kann. Die erwünschte Lichtintensität soll möglichst schnell auf der

Zieloberfläche eingestellt werden, so dass innerhalb einer möglichst kurzen Zeit die gewünschte Temperatur des Zielvolumens und der Zieloberfläche stabil eingestellt wird. Der Treiber kann zu diesem Zweck z.B.

Pulsweitenmodulation (PWM) verwenden.

Der Thermostimulator kann unabhängig von einer Schmerzmessung betrieben werden. Die Zieltemperatur kann in diesem Fall von dem Thermostimulator festgelegt werden, so dass die Schmerzreaktion, die z.B. durch bei Versuchstieren durch Rückenmarkssonden gemessen wird, in Abhängigkeit von der Zieltemperatur bestimmt wird. Der Thermostimulator kann in einer vorteilhaften Ausführungsform aber auch Teil eines Schmerzmessgerätes sein. In diesem Fall kann basierend auf entsprechenden Kalibrierungsversuchen auch ein bestimmtes gewünschtes Erregungspotential also eine vordefinierte Schmerzreaktion eingestellt werden. Die Zieltemperatur würde dann so gewählt werden, dass die vordefinierte oder voreingestellte Schmerzreaktion erreicht wird. Alternativ könnte die Temperatur aber auch gemäß eines

Regelalgorithmus so hochgefahren werden, dass die Schmerzreaktion gemessen wird und die Zieltemperatur in Abhängigkeit von der gemessenen Schmerzreaktion angepasst wird bis die gewünschte Schmerzreaktion erreicht ist. Die Ergebnisse von Kalibrierungsmessungen können in diesem

Zusammenhang als Regelparameter in die Regelung der

Temperaturanpassung einfließen. Der Kontroller könnte die Regelung basierend auf der gemessenen Schmerzreaktion durchführen. Alternativ könnte auch eine weitere übergeordnete Regelungseinheit vorhanden sein, die den Kontroller entsprechend ansteuert. Diese Regelungseinheit und der Kontroller können separate Einheiten sein oder in einer gemeinsamen Einheit verwirklicht werden. Des Weiteren ist es möglich, dass die Regelungseinheit und der Kontroller als Software ausgeführt sind, die auf einem Computer ausführbar ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Thermostimulierung von lebendem Gewebe und ein auf diesem Verfahren zur Thermostimulierung beruhendes Verfahren zur Schmerzmessung zur

Verfügung zu stellen.

Ein Verfahren zur Thermostimulierung von lebendem Gewebe zur Erzeugung einer Schmerzreaktion umfasst die folgenden Schritte:

- emittieren eines Lichtstroms zur Erwärmung eines Zielvolumens, das an einer Seite durch eine Zieloberfläche begrenzt wird, wobei der Lichtstrom durch einen Breitbandemitter erzeugt wird;

- berührungsloses Bestimmen einer Oberflächentemperatur der

Zieloberfläche; und

- kontrollieren des Lichtstroms mittels der berührungslos bestimmten Oberflächentemperatur der Zieloberfläche, so dass das Zielvolumen, so aufgeheizt wird, dass die Oberflächentemperatur der Zieloberfläche von einer Zieltemperatur um weniger als 1 °C abweicht.

Die genannten Schritte müssen nicht in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Es ist z.B. möglich, dass zunächst eine erste

Oberflächentemperatur bestimmt wird und erst anschließend der Lichtstrom zur Erwärmung des Zielvolumens inklusive Zieloberfläche erzeugt wird. Das Verfahren wird vorzugsweise als geschlossener Regelkreis durchgeführt, um die Zieltemperatur ohne Übersteuerung möglichst schnell zu erreichen.

Das vorgenannte Verfahren zur Thermostimulierung von lebendem Gewebe wird vorzugsweise als Teil eines Verfahrens zur Schmerzmessung, das zur Bestimmung der Wirksamkeit Schmerzmittel verwendet werden kann, ausgeführt. Dieses Verfahren zur Schmerzmessung weist dabei den

zusätzlichen Schritt auf:

- messen einer Schmerzreaktion ausgelöst durch das Erwärmen der Zieloberfläche auf die Zieltemperatur.

Alternativ weist das vorgenannte Verfahren zur Thermostimulierung von lebendem Gewebe die folgenden zusätzlichen Schritte auf:

- messen einer Schmerzreaktion ausgelöst durch das Erwärmen der Zieloberfläche auf die Zieltemperatur als Kontrolle,

- mindestens einmaliges Applizieren einer Testsubstanz, vorzugsweise eines Analgetikums,

- messen der Schmerzreaktion und Vergleich mit dem Kontrollwert, wobei die Testsubstanz - je nach Versuchsdurchführung - zu unterschiedlichen Zeitpunkten und in unterschiedlichen Konzentrationen verabreicht werden kann.

Die Schmerzreaktion kann rein reaktiv in Folge der Erwärmung des Gewebes gemessen werden. Alternativ kann die Schmerzreaktion aber auch Teil des Regelkreises zur Einstellung der Zieltemperatur sein.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kann auch jede Kombination der abhängigen Ansprüche mit dem zugehörigen unabhängigen Anspruch umfassen.

Kurze Beschreibung der Abbildungen

Diese und andere Aspekte der Erfindung werden im Detail in den Abbildungen wie folgt gezeigt:

Fig .1 zeigt eine Skizze eines Thermostimulator gemäß einer

Ausführungsform der Erfindung

Fig. 2 zeigt einen prinzipiellen Querschnitt eines Lampenhalters und einer Halterung des Lichtleiters

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines Lichtleiters

Fig. 4 zeigt gemessene Spektren des verwendeten Leuchtmittels bei verschiedenen Treiberspannungen

Fig. 5 zeigt eine Skizze einer Zieloberfläche mit zwei Messpunkten zur Temperaturbestimmung

Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Intensitätsverteilung auf der

Zieloberfläche und des zugehörige Temperaturprofil

Fig. 7 zeigt eine Treiberspannung in Abhängigkeit von der Zeit

Fig. 8 zeigt eine Skizze der Hautschichten

Fig. 9 zeigt eine Skizze der Verfahrensschritte In den Figuren bezeichnen ähnliche Bezugszeichen im Allgemeinen ähnliche Objekte. Die einzelnen Objekte in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt eine Skizze des erfindungsgemäßen Thermostimulators. Eine Zieloberfläche und das darunterliegende Zielvolumen werden auf einem Ziel 190 mittels eingestrahlten Lichts erwärmt und eine konstante Schmerzreaktion ausgelöst. Das Ziel 190 ist z.B. die Pfote einer Ratte, die als Versuchstier zur Bestimmung einer Schmerzreaktion verwendet wird. Das Auslösen konstanter Schmerzreaktionen ist wichtig, um die Wirksamkeit von Schmerzmitteln

(Analgetika) untersuchen zu können. Man würde in diesem Fall die durch den Thermostimulator induzierte Schmerzreaktion über einen längeren Zeitraum von z.B. mehreren Stunden beobachten, wobei nach einer oder mehreren vordefinierten Zeiten innerhalb des vorgenannten Zeitraums das Schmerzmittel ggf. in unterschiedlichen Konzentrationen injiziert wird. Anhand der

Veränderungen der Schmerzreaktion ließe sich auf diese Weise die

Wirksamkeit des Schmerzmittels über die Zeit und/oder über einen bestimmten Konzentrationsbereich bestimmen.

Damit die Temperatur des Zielvolumens und der Zieloberfläche gezielt eingestellt werden kann, wird die Temperatur der Zieloberfläche mittels eines Infrarotsensors 160 gemessen. Der Infrarotsensor 160 ist z.B. vom Typ CTL- CF2-(C3) der Firma Micro-Epsilon und ermöglicht eine präzise Einstellung des Temperaturerfassungsbereichs durch Abstandsänderung zum Ziel 190. Der Infrarotsensor 160 ist kalibriert und hat im Messbereich eine Abweichung von unter 0,5 ° C vom Messwert. Die Temperaturerfassung kann zeitlich variiert werden und z.B. alle 120 ms erfolgen. Die so gemessene

Oberflächentemperatur wird an den Kontroller 1 10 weitergegeben. Der

Kontroller 1 10 weist z.B. eine in der Fig. 1 nicht dargestellte Nutzerschnittstelle zur Einstellung der Zieltemperatur auf. Alternativ kann auch eine Schnittstelle zu einem Computer bereitgestellt sein, wobei in diesem Fall die

Nutzerschnittstelle mittels des Computers zur Verfügung gestellt wird. Die gemessene Oberflächentemperatur der Zieloberfläche wird sodann durch den Kontroller 1 10 dazu verwendet, die Regelparameter für den Treiber 120 bereitzustellen. Diese Regelparameter werden vom Treiber 120 so umgesetzt, dass ein Leuchtmittel 132, das in Fig. 2 dargestellt ist, innerhalb des

Lampenhalters 130 z.B. mittels Pulsweitenmodulation so angesteuert wird, dass ein definierter Lichtstrom zur Erwärmung der Zieloberfläche und des Zielvolumens über einen mittels einer Halterung 140 am Lampenhalter 130 befestigten Lichtleiter 150 auf die Zieloberfläche projiziert wird. Die

Rückkopplung der Erwärmung der Zieloberfläche ermöglicht somit eine definierte Reizung des Gewebes durch einen in engen Grenzen vorgegebenen Temperaturreiz. Der zuvor beschriebene Thermostimulator kann Teil eines Schmerzmessgerätes sein, in der z.B. die C-Faser Aktivität mittels einer nicht abgebildeten Rückenmarkssonde gemessen wird. Die gemessene Aktivität kann in diesem Fall auch als Eingangsgröße an den Kontroller 1 10

weitergeleitet werden, so dass anstelle der Temperatur die Aktivität als

Regelparameter verwendet wird. Die Temperatur würde in diesem Fall so eingestellt, dass eine vorgegebene Aktivität oder Schmerzreaktion erreicht wird.

Fig. 2 zeigt eine detailliertere Darstellung eines Lampenhalters 130 und einer Halterung 140. Als Leuchtmittel 132 wurde ein 24 Volt 250 Watt

Halogenleuchtmittel der Firma Osram verwendet. Das Leuchtmittel 132 wurde dabei bei einer verminderten Spannung von 15 Volt betrieben, um den langwelligen Infrarotanteil des vom Leuchtmittel 132 abgestrahlten Spektrums zu erhöhen. Diese Maßnahme ermöglichte eine erhöhte Absorption von Strahlungsenergie in den oberen Hautschichten wie z.B. der Oberhaut und den oberen Bereichen (relativ zur Hautoberfläche) der Lederhaut, so dass eine verbesserte Erwärmung dieser Hautschichten ermöglicht werden kann. Als Reflektor 133 wurde ein Aluminiumreflektor eines anderen Leuchtmittels des Typs 64607 der Firma Osram verwendet, um insbesondere das vom

Leuchtmittel 132 abgestrahlte Infrarotlicht gezielt abstrahlen zu können. Das Leuchtmittel 132 wurde auf einem Stempel 131 angeordnet, der auch die elektrischen Versorgungsleitungen für die Energieversorgung des

Leuchtmittels 132 beinhaltet. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wurde der Reflektor fest mit dem Lampengehäuse 130 verbunden . Der Stempel 131 hingegen konnte entlang der optischen Achse des Reflektors 133 in bestimmten Grenzen bewegt werden, so dass auch das Leuchtmittel 132 gegenüber dem Reflektor 133 verfahrbar war. Auf diese Weise konnte der Fokus des vom Leuchtmittel 132 abgestrahlten Lichts so eingestellt werden, dass sich eine Eingangsfacette oder Lichteintrittsfläche 151 eines Lichtleiters 150 im Fokus des Leuchtmittels 132 und des Reflektors 133 befand. Der Lichtleiter 150 war zu diesem Zweck mittels der Halterung 140 fixiert, die wiederrum an den Lampenhalter 130 gekoppelt war. Die Fokussierung des Lichts des Leuchtmittels 132 mittels des Reflektors 133 ist in Fig. 2 anhand des schematisch dargestellten emittierten Licht 135 angedeutet. Der Lampenhalter und/oder die Halterung 140 weisen in der Fig. 2 nicht gezeigten

Belüftungsöffnungen auf die eine Kühlung des Leuchtmittels 132 und des Reflektors 133 mittels eines Luftstroms ermöglichen. Diese

Belüftungsöffnungen sind so angebracht, dass keine unkontrollierte

Erwärmung der Zieloberfläche erfolgt. Optional kann an die Halterung noch eine Umhüllung für den Lichtleiter 150 gekoppelt werden, die durch Reflexion an der Innenseite Intensitätsverluste verringern kann. Die Umhüllung kann den Lichtleiter 150 zudem vor mechanischen Einwirkungen schützen.

Fig. 3 zeigt eine Skizze des Lichtleiters 150 mit einer planaren

Lichteintrittsfläche 151 und einer konvex gekrümmten Lichtaustrittsfläche 152. Der Lichtleiter besteht aus einem Glasstab mit einem Durchmesser von 8 mm. Als Matenal wurde Quarzglas von Heraeus des Typs HSQ330 verwendet. Das HSQ330 ist gleich dem HSQ300, jedoch wird laut Herstellerangaben die Schmelzzutatenkontrolle in jedem 70. Zylinder. Auf diese Weise wird eine große Reinheit des Quarzglases ermöglicht, was zu geringeren

Intensitätsverlusten führt. Aufgrund der hohen übertragenen Lichtleistung ist es erforderlich, dass insbesondere Verluste im Lichtleiter 150 vermieden werden, da diese sich sofort durch eine Erwärmung des Lichtleiters 150 zeigen würden. Die Lichtaustrittsfläche 152 des Lichtleiters 150 ist aber nur zwischen 20 mm und 30 mm von der Zieloberfläche entfernt. Eine unkontrollierte Erwärmung des Lichtleiters 150 kann somit eine signifikante Störung des

Thermostimulators bewirken. In einer Vielzahl von Experimenten hat sich gezeigt, dass die Lichtaustrittsfläche 152 vorzugsweise halbkugelförmig ist, wobei der Radius der Lichtaustrittsfläche 152 dem Radius des Lichtleiters 150 entspricht. Im Falle des gewählten Radius des Lichtleiters von 4 mm betrug der Radius der halbkugelförmigen, konvexen Lichtaustrittsfläche 152 somit ebenfalls 4 mm. Im gewählten Versuchsaufbau betrug die Länge des

Lichtleiters 152 170 mm. Der Abstand der Lichtaustrittsfläche 152 zur

Zieloberfläche betrug 26 mm, so dass ohne zusätzliche Linse eine

Zieloberfläche mit einem Durchmesser von 12 mm beleuchtet und somit erwärmt werden konnte. Die Länge des Lichtleiters und der Abstand von 26 mm ermöglichte eine ausreichende thermische Entkopplung des optischen Systems des Thermostimulators von der Zieloberfläche. Der relativ große Abstand von 26 mm zur Zieloberfläche und die geringe Größe, der

Lichtaustrittsfläche 152 ermöglichten zudem parallel z.B. mechanische Reize an der Zieloberfläche vorzunehmen.

Fig. 4 zeigt die Spektren der Kombination aus dem zuvor beschriebenen Leuchtmittel 132 und dem Reflektor 133 bei verschiedenen

Treiberspannungen. Dabei zeigt der Graph 410 das Spektrum bei 15 V

Treiberspannung, der Graph 420 das Spektrum bei 12,5 V Treiberspannung, der Graph 430 das Spektrum bei 10 V Treiberspannung, der Graph 440 das Spektrum bei 7,5 V Treiberspannung, der Graph 450 das Spektrum bei 5 V Treiberspannung und der Graph 460 das Spektrum bei 2,5 V Treiberspannung. Graph 410 entspricht somit dem Spektrum bei der im Thermostimulator vorzugsweise gewählten Betriebsspannung von 15 V. Die Messfehler ab einer Wellenlänge von ca. 1050 nm sind auf eine verminderte Quanteneffizienz des Messgerätes in diesem Wellenlängenbereich zurückzuführen. Das Leuchtmittel 132 ist ein Halogenleuchtmittel und somit ein thermischer Strahler der Licht über einen breiten spektralen Bereich emittiert. Wie aus den Graphen ersichtlich ist werden mindestens 50% einer maximalen Intensität bei einer Wellenlänge von 800 nm emittiert, wobei die maximale Intensität bei einer Wellenlänge größer 900 nm emittiert wird. Besonders vorteilhaft ist, dass solche thermischen Emitter neben den tief in die Haut eindringenden

Emissionen im Bereich zwischen 800 nm und 1000 nm auch wesentliche spektrale Anteile jenseits der 1200 nm und auch der 1500 nm also im IR-B Bereich des Spektrums aufweisen. Diese langwelligen Emissionen werden im Wesentlichen bereits in der Oberhaut und auch den oberen Schichten der Lederhaut absorbiert, so dass eine gleichmäßige Erwärmung des Zielvolumens auch an der Zieloberfläche ermöglicht wird. Große Unterschiede zwischen der Temperatur der Zieloberfläche und der Temperatur des Zielvolumens können somit vermieden werden.

Figur. 5 zeigt eine Skizze einer Zieloberfläche 510 mit einem ersten Messpunkt 520 des Infrarotsensors 160 der mit einem zweiten Messpunkt 530 des

Infrarotsensors überlappt. Die Messpunkte werden mittels Laser anvisiert und die Bestimmung der Temperatur der Zieloberfläche 51 0 erfolgt über eine Mittelung der an den Messpunkten 520 und 530 gemessenen

Temperaturwerte. Der Messbereich, d.h. der Durchmesser der Messpunkte, des verwendeten und zuvor beschriebenen Infrarotsensors beträgt 6 mm bei einem Abstand zur Zieloberfläche von 180 mm, wobei der Messfleckdurchnnesser bei einem Abstand von 150 mm ca. 1 ,9 mm beträgt. Die relativ großen Abstände zur Optik von 26 mm und zum Infrarotsensor von 180 mm sorgen für eine größtmögliche Freiheit auf der Zieloberfläche 510. Somit wird es ermöglicht, dass gleichzeitig ergänzend auch mechanisch und elektrisch gereizt werden kann. So kann dann in einem Versuchsaufbau ein thermischer Reiz (und dann auch, um die eventuell beginnende Ödembildung „ruhen zu lasse") mit einem nachfolgenden mechanischen Reiz und/oder elektrischen Reiz das Experiment ergänzt werden. In Fig. 6 ist die Intensitätsverteilung 610 des eingestrahlten Lichts entlang eines Querschnitts durch den Mittelpunkt der Zieloberfläche gezeigt. Die Intensitätsverteilung weist ein relatives Minimum in der Nähe oder im

Mittelpunkt der Zieloberfläche auf. Diese Intensitätsverteilung kann eine im Wesentlichen flache Temperaturverteilung 620 auf der Zieloberfläche bewirken, da insbesondere der mittlere Bereich der Zieloberfläche und des darunter befindlichen Zielvolumens durch Wärmeleitung auch von den erwärmten umliegenden Bereichen erwärmt werden. Dieser Effekt kann durch die geringere Wärmeeinstrahlung im zentralen Bereich der Zieloberfläche ausgeglichen werden.

In Fig. 7 ist die Treiberspannung in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Die vertikale Achse gibt die Treiberspannung an und die horizontale Achse die Zeit. Der dargestellt Graph 710 zeigt, dass die Treiberspannung innerhalb von weniger als 1 Sekunde vorzugsweise weniger als 0,5 Sekunden am

Beleuchtungsmittel 132 konstant anliegt, um eine schnelle und zeitlich möglichst konstante Erwärmung der Zieloberfläche zu ermöglichen.

Fig. 8 zeigt eine Prinzipskizze der Hautschichten eines Menschen oder eines Versuchstieres. Die oberste Schicht ist die Oberhaut 810, die an die

umgebende Luft grenzt. Unterhalb der Oberhaut 810 befindet sich die Lederhaut 820 und unterhalb der Lederhaut die Unterhaut 830.

Infrarotstrahlung aus dem IR-A Bereich (0,78 μιτι - 1 , 4 μιτι) dringt bis in die Unterhaut vor und kann dort mangels Kühlung durch umgebende Luft Ödeme hervorrufen. Infrarotstrahlung aus dem IR-B Bereich (1 ,4 μιτι - 3 μιτι) dringt hingegen nur bis in den oberen Bereich der Lederhaut vor und ist somit insbesondere zur Erwärmung von Bereichen in der Nähe der Hautoberfläche geeignet. Infrarotstrahlung im IR-C Bereich (>3 μιτι) wird nahezu vollständig in der Oberhaut absorbiert. Fig. 9 zeigt eine prinzipielle Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Schritt 910 wird das Licht durch das Leuchtmittel 132 erzeugt, vom Reflektor 133 auf den Lichtleiter 150 fokussiert und der Lichtstrom mittels der

Lichtaustritts 152 auf die Zieloberfläche 510 projiziert. In Schritt 920 wird mittels des Infrarotsensors 160 über die Messpunkte 520 und 530 die

Temperatur der Zieloberfläche 510 berührungslos bestimmt. Basierend auf der so bestimmten Temperatur wird sodann in Schritt 930 der Lichtstrom und damit die vom Leuchtmittel 132 pro Zeiteinheit emittierte elektromagnetische Energie so kontrolliert, dass die Zieloberfläche 510 eine gewünschte Zieltemperatur möglichst schnell erreicht und diese Zieltemperatur über einen vorgewählten Zeitraum innerhalb von engen Grenzen konstant gehalten wird.

Die Kernidee der vorliegenden Erfindung ist es, einen Thermostimulator zur Verfügung zu stellen, der mittels eines Beleuchtungsmittels, das ein

breitbandiges Spektrum insbesondere im IR-A und Teilen des IR-B Bereichs des Spektrums aufweist, eine möglichst homogene Erhitzung von Hautgewebe zu ermöglichen. Dabei soll insbesondere vermieden werden, dass die

Temperaturdifferenz zwischen der eigentlichen Hautoberfläche und

tieferliegenden Hautschichten, die einen Großteil der Schmerzrezeptoren der Haut beinhalten zu groß wird. Die Temperatur muss zudem über einen längeren Zeitraum konstant gehalten werden, was mittels einer Rückkopplung der berührungslos gemessenen Oberflächentemperatur der Hautoberfläche zum Kontroller und Treiber des Beleuchtungsmittels erfolgt. Um ein möglichst freies Experimentierfeld zu schaffen, ist zudem eine spezielle Optik

erforderlich, die ausgedehnte Linsen unmittelbar in der Nähe der

Hautoberfläche vermeidet, wie sie bei den erwähnten Breitbandemittern häufig erforderlich sind. In dieser Beziehung hat sich insbesondere die Verwendung eines Lichtleiters aus Quarzglas als vorteilhaft erwiesen, wobei der Lichtleiter insbesondere eine konvexe Lichtaustrittsöffnung aufweist, um die

gleichmäßige Erwärmung Hautoberfläche im Zielgebiet zu gewährleisten. Auf diese Weise wurde sichergestellt, dass ein Bereich von mehr als 25 mm oberhalb der Hautoberfläche frei zugänglich ist und somit z.B. eine parallele oder ergänzende mechanische oder elektrische Reizung der Haut möglich wird. Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden.

Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst. Sollte die Ansprüche das Wort„umfassen" beinhalten, so sind damit keine weiteren Elemente oder Schritte ausgeschlossen. Der unbestimmte Artikel „ein" schließt eine Vielzahl von Elementen oder Schritten nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in verschiedenen abhängigen

Ansprüchen wiedergegeben werden, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft in der Erfindung verwendet werden kann.

Liste der Bezugszeichen

1 10 Kontroller

120 Treiber

130 Lampenhalter

131 Stempel

132 Leuchtmittel

133 Reflektor

135 emittiertes Licht

140 Halterung

150 Lichtleiter

151 Lichteintrittsfläche

152 Lichtaustrittsfläche

160 Infrarotsensor

190 Ziel

410 Spektrum bei 15 V Treiberspannung

420 Spektrum bei 12,5 V Treiberspannung

430 Spektrum bei 10 V Treiberspannung

440 Spektrum bei 7,5 V Treiberspannung

450 Spektrum bei 5 V Treiberspannung

460 Spektrum bei 2,5 V Treiberspannung

510 Zieloberfläche

520 erster Messpunkt

530 zweiter Messpunkt

610 Intensitätsverteilung auf der Zieloberfläche

620 Temperaturverteilung auf der Zieloberfläche

710 Treiberspannung in Abhängigkeit von der Zeit

810 Oberhaut

820 Lederhaut

830 Unterhaut 910 Schritt des Emittierens des Lichtstroms

920 Schritt des Bestimmens der Oberflächentemperatur der

Zieloberfläche

930 Schritt des kontrollieren des Lichtstroms

Claims

Patentansprüche:

1 . Ein Thermostimulator zur Erwärmung von lebendem Gewebe, wobei der Thermostimulator zur Erzeugung einer Schmerzreaktion eingerichtet ist, umfassend einen Kontroller (1 10), einen Treiber (120), ein Leuchtmittel

(132), einen Lichtleiter (150) und einen Infrarotsensor (160), wobei das Leuchtmittel (132) ein Breitbandemitter ist, wobei der Infrarotsensor (160) eingerichtet ist, eine Oberflächentemperatur einer Zieloberfläche in einer vordefinierten Zieldistanz berührungslos zu bestimmen und die so bestimmte Oberflächentemperatur dem Kontroller (1 10) zur Verfügung zu stellen, wobei der Kontroller (1 10) eingerichtet ist, das Leuchtmittel (132) mittels des Treibers (120) basierend auf der zur Verfügung gestellten Oberflächentemperatur so zu steuern, dass ein von dem Leuchtmittel (132) ausgehender Lichtstrom über den Lichtleiter (150) auf die

Zieloberfläche gerichtet wird, so dass ein Zielvolumen, das an einer Seite durch die Zieloberfläche begrenzt wird, so aufgeheizt werden kann, dass die Oberflächentemperatur der Zieloberfläche von einer Zieltemperatur um weniger als 1 °C abweicht. 2. Der Thermostimulator gemäß Anspruch 1 , wobei das Leuchtmittel (132) als thermischer Strahler ausgestaltet ist, wobei ein Teil des emittierten Spektrums zu mehr als 80 % in einer Oberhaut eines Menschen absorbiert wird. 3. Der Thermostimulator gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Thermostimulator dazu eingerichtet ist, die Zieloberfläche auf eine Temperatur von bis zu 52°C aufzuheizen, wobei die Zieloberfläche mindestens 50 mm² groß ist. 4. Der Thermostimulator gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Thernnostinnulator dazu eingerichtet ist, die Zieloberfläche über einen Zeitraum von mehr als einer Minute auf der Zieltemperatur zu halten. 5. Der Thermostimulator gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Zieloberfläche mindestens 100 mm² groß ist.

6. Der Thermostimulator gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Thermostimulator eingerichtet ist, eine Intensitätsverteilung auf der Zieloberfläche zu erzeugen, die ein relatives Minimum in der Mitte der

Zieloberfläche aufweist.

7. Der Thermostimulator gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Thermostimulator einen Reflektor (133) aufweist, wobei das Leuchtmittel (132) und der Reflektor (133) relativ zueinander verfahrbar sind.

8. Der Thermostimulator gemäß Anspruch 7, wobei die dem Leuchtmittel (132) zugewandte Seite des Lichtleiters (150) im Fokusbereich des Reflektors (133) angeordnet ist.

9. Der Thermostimulator gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die dem Leuchtmittel (132) zugewandte Seite des Lichtleiters (150) plan ist.

10. Der Thermostimulator gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die vom Leuchtmittel (132) abgewandte Seite des Lichtleiters (150) konvex gekrümmt ist.

Der Thermostimulator gemäß Anspruch 10, wobei der Lichtleiter (150) zylindrisch ist und der Krümmungsradius der konvex gekrümmten Seite des Lichtleiters (150) einen Krümmungsradius aufweist, der dem Radius des Lichtleiters (150) entspricht. 12. Der Thermostimulator gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Treiber eingerichtet ist, eine gewünschte Leistung innerhalb von 0,5 Sekunden an dem Leuchtmittel (132) bereitzustellen, so dass der zur Erreichung der Oberflächentemperatur der Zieloberfläche

erforderliche Lichtstrom bereitgestellt werden kann.

13. Schmerzmessgerät umfassend einen Thermostimulator gemäß einem der Ansprüche 1 - 12.

14. Ein Verfahren zur Thermostimulierung von lebendem Gewebe zur

Erzeugung einer Schmerzreaktion, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:

- emittieren eines Lichtstroms zur Erwärmung eines Zielvolumens, das an einer Seite durch eine Zieloberfläche (510) begrenzt wird, wobei der Lichtstrom durch einen Breitbandemitter erzeugt wird;

- berührungsloses bestimmen einer Oberflächentemperatur der

Zieloberfläche; und

- kontrollieren des Lichtstroms mittels der berührungslos bestimmten Oberflächentemperatur der Zieloberfläche (510), so dass das

Zielvolumen, so aufgeheizt wird, dass die Oberflächentemperatur der Zieloberfläche (510) von einer Zieltemperatur um weniger als 1 °C abweicht.

15. Ein Verfahren zur Schmerzmessung, wobei das Verfahren zur

Schmerzmessung das Verfahren zur Thermostimulierung gemäß

Anspruch 14 umfasst, und das Verfahren den Schritt aufweist: - messen einer Schmerzreaktion ausgelöst durch das Aufheizen der Zieloberfläche (510) auf die Zieltemperatur.