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DE2726606A1 - Medizinisches spektralfotometer - Google Patents

Medizinisches spektralfotometer

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Publication number
DE2726606A1
DE2726606A1 DE19772726606 DE2726606A DE2726606A1 DE 2726606 A1 DE2726606 A1 DE 2726606A1 DE 19772726606 DE19772726606 DE 19772726606 DE 2726606 A DE2726606 A DE 2726606A DE 2726606 A1 DE2726606 A1 DE 2726606A1
Authority
DE
Germany
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light
light guide
arrangement according
monochromator
measuring
Prior art date
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Pending
Application number
DE19772726606
Other languages
English (en)
Inventor
Ernst Dr Guilino
Dietrich Prof Dr Luebbers
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften
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Filing date
Publication date
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Priority to US05/895,123 priority patent/US4241738A/en
Priority to FR7817558A priority patent/FR2394788A1/fr
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Pending legal-status Critical Current

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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue
    • A61B5/1455—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue using optical sensors, e.g. spectral photometrical oximeters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
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    • G01N21/8507—Probe photometers, i.e. with optical measuring part dipped into fluid sample
    • G—PHYSICS
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    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/28—Investigating the spectrum
    • G01J2003/2866—Markers; Calibrating of scan

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Description

DR. HMNS IV. HOFMANN O726606
Patentanwalt 62 Wiesbaden 1 . ^ *■"■ Hauberisserstraße 36
6063 MPG
MEDIZINISCHES SPEKTRALFOTOMETER:
Die Erfindung betrifft ein Spektra1 fotometer, bestehend aus einer Beleuchtungseinrichtung, einem Monochromator, mindestens einem Messtrahlengang sowie einer Lichtmesseinrichtung mit e iner Anze i ge.
Bei medizinischen Diagnosen hat schon immer das Erscheinungsbild der Haut, Insbesondere Ihre von der Durchblutung abhängige Färbung eine besondere Bedeutung gehabt. Die Farbe hängt dabei aber sowohl von der Perfusion, der Menge und Zusammensetzung des Blutes In den Kapillaren als auch von der Farbe, also vom Oxygen Ierungsgrad des Hämoglobins
2/
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ab, sodass die Schlussfolgerungen mehrdeutig sein können.
Es wäre deshalb vorteilhaft, wenn die verschiedenen, das Erscheinungsbild der Haut oder sonstiger Gewebeoberflächen bestimmender Parameter getrennt werden könnten. So Hesse sich die Färbung beispielsweise mit den bekannten Spektrometern untersuchen. Jedoch sind diese Geräte zu unhandlich und aufwendig.
Aus der Kenntnis der Farbänderung bei der Umwandlung von oxygeniertem zu desoxygeniertem Hämoglobin (LUBBERS,NI ESEL; Pflügers Archiv 268/286/1959), die die wichtigste Erseheinungänderung von Gewebeoberflächen darstellt, lassen sich andererseits jedoch vereinfachte Anordnungen entwickeln, die die Nachteile der bekannten Spektra1 fotometer nicht aufweisen.
Es stellt sich demnach die Aufgabe, die bekannten Spektra1fotometer derart zu vereinfachen und auf das Messobjekt und die Messaufgabe anzupassen, dass ein objektiv messendes Diagnosemittel entsteht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Messst.rah 1 engang und der Beleuchtungsstrahlengang als gemeinsamer Lichtleiter ausgebildet ist, wobei der eine Teil des Lichtleiters das Licht zum Messobjekt führt, der andere Teil des Lichtleiters das reflektierte Licht zum Monochromator leitet, dass das Spektrum des Monochromators auf die als Fotozel 1 enarray ausgebildete L ic htinoss- einrlchtung vollständig abgebildet ist und dass das Signal des Fotozel1enarrays kontinuierlich und periodisch abtastbar und oszMlografI sch darstellbar ist.
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-ν
Die Vorteile der Anordnung liegen darin, dass nunmehr ein kleines handliches, auch im Operationssaal als Hilfsmittel verwend bares Gerät ohne bewegliche Teile erstellt werden kann, das durch den Lichtleiter schnell über die Gewebeoberfläche geführt werden, das In Körperhöhlen messen und das sterilisiert werden kann und dessen spektrale Auflösung, angezeigt durch den schnell rea gierenden OszI1lografen, für die visuelle Beurteilung durch den D langnost I ker ausreicht, um eine Übersicht über den funktionell oder pathologisch bestlmnten Zustand der Durchblutung der Gewebeoberfläche zu er langen. Damit ist eine nicht invasive Methode zur Beurteilung von mit Blut perfundierten Gewebeoberflächen gewonnen.
Die Anordnung lässt sich dadurch weiterentwicke1n, dass ein Distanzring am objektseitigen Ende des Lichtleiters anbringbar ist. Das ergibt den Vorteil, die optimale Messposition ohne Schwierig keit einhalten zu können, auch wenn das betreffende Gebiet schnell abgesucht wi rd.
Der Distanzring kann weiter dazu verwendet werden, dass Mittel vorgesehen sind, mit denen die Gewebeoberfläche gemessen werden oder mit denen auf die Gewebeoberfläche eingewirkt werden kann. So kann damit beispielsweise die Perfusion durch Aufheizung der Messstelle und Messung der verbleibenden Übertemperatur (Verfahren nach HENSEL) in bekannter Weise gemessen werden. Es kann auch eine Hyperämi s jerung mittels der Strahlung einer Lampe oder die Messung der Leitfähigkeit vorgenommen werden.
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In Weiterentwicklung der Erfindung ist ein zweiter Lichtleiter vorgesehen, dessen messobjektseitiges Ende auf einen Reflexionsstandard gerichtet ist und dass die beiden Lichtleiter abwechseint dem Monochromator zuschaltbar sind.
Der Vorteil di eserWeiterentwic klung besteht darin, dass eine Bestimmung der NuI linie möglich ist, sodass Änderungen in den einzelnen Lichtmesseinrichtungen oder deren Verstärkung bestimmt und ausgeglichen werden können.
Deshalb ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Einzelempfänger des Forozel1enarrays durch elektronische Mittel nach ihrer Empfindlichkeit kompensierbar sind, weil dadurch die Nullinle, die bei Einschaltung des Reflexionsstandards entsteht, begradigt werden kann.
Fs ist weiterhin von Vorteil, wenn die Abtastgeschwindigkeit des Fotozel1enarrays mehr als 20 Hz beträgt, weil dadurch die Anzeige auch schnellen Absuchbewegungen mit dem Lichtleiter folgen kann und die Vorrichtung nur noch durch das Aufnahmevermögen des Diagnostikers begrenzt ist.
In Fällen, in denen bewegliche Teile in Kauf genommen werden können, ist das Spektralfotometer, bestehend aus einer Beleuchtungsvorrichtung, einem Monochromator, mindestens einem Messstrahlengang sowie einer Lichtmesseinrichtung mit einer Anzeige dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahlengang und der Beleuchtungsstrahlengang als gemeinsamer Lichtleiter ausgebildet Ist, wobei der eine Teil des Lichtleiters das Licht zum Messobjekt
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5/
-•ν
führt, der andere Teil des Lichtleiters das reflektierte Licht zum Monochromator leitet, dass das reflektierte Licht über den periodisch bewegten Monochromator einer Lichtmesseinrichtung zugeführt ist und die Bewegung des Monochromators die Zeitbasis des Oszi11ografen steuert, während das Signal der Lichtmesseinrichtung den Messplatten des Oszi11ografen zugeführt i st.
Der Vorteil der Anordnung besteht darin, dass nunmehr nur noch ein Empfänger erforderlich ist.
Eine besonders einfache Ausführung dieser Erfindung ergibt sich, wenn der Monochromator als rotierendes Verlaufsfilter ausgebildet ist.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist am objektseitigen Ende des Lichtleiters ein Distanzring angeordnet. Dadurch wird einmal ohne grosse Schwierigkeit die richtige Entfernung zum Objekt eingehalten, zum anderen können in dem Distanzring weitere Mittel zur Messung der Gewebeoberfläche oder zur Einwirkung darauf angeordnet sein.
In einer anderen Weiterentwicklung der Erfindung ist ein zweiter Lichtleiter vorgesehen, der Licht von der Beleuchtungseinrichtung abnimmt und der unmittelbar neben dem das reflektierte Licht führenden Lichtleiter vor dem rotierenden Verlaufsfilter angeordnet ist, dass dem zweiten Lichtleiter eine zweite Lichtmesseinrichtung zugeordnet ist und die Signale der beiden Lichtmesseinrichtungen über einen Quotientenbildner der Anzeigevorrichtung zugeführt sind.
Der Vorteil dieser Anordnung besieht darin, dcijz durch die
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Quotientenbildung die Charakteristik der Beleuchtungseinrichtung elimierbar ist, sodass, beispielsweise bei Lampenwechsel, keine neue Eichung erforderlich ist. In einer besonders vorteilhaften Ausbildung ändert sich die Durchlasswellenlänge des Verlaufsfilters mit dem Sinus des Umfangswinkels.
Solche Filter lassen sich relativ einfach durch Aufdampfen herstellen und befinden sich dann, zusammen mit den Blockfiltern zur Harmonischenunterdrückung auf einer kreisförmigen Trägerplatte. Wenn diese Trägerplatte dann rotiert, ergibt sich bei einem Umlauf eine vorwärts und eine rückwärts verlaufende Abtastung des Filters. Wird deshalb der Rücklauf des Oszi11ografen dem Vorlauf angepasst und nicht dunkel getastet, dann ergeben sich bei einem Filterumlauf bereits zwei Spektren auf dem Oszi11ografen.
Der Aufwand für die Anzeige lässt sich dadurch verringern , dass anstelle eines Messoszi1lografen eine Fernsehröhre verwendet ist. Dies ist deshalb möglich, weil die Messvorgänge sämtlich derart langsam sind, dass auch magnetisch gesteuerte Sichtröhren brauchbar sind.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnung erläutert.
Es zeigen
Fig.1 eine Anordnung ohne bewegliche Teile Flg.2 eine Anordnung mit beweglichen Teilen
809851/0335 '
_♦>
Ein Lichtleiter 1 ist auf ein Objekt 0 gerichtet. Die Fasern des Lichtleiters sind am objektseitigen Ende 10 des Licht 1 e i tersbsw. statistisch verteilt, am geräteseitigen Ende sind die Fasern so zusammengefasst, dass die Hälfte 11 das Licht aus der Beleu chtungseinrichtung 2 entnimmt, die andere Hälfte 12 das vom Objekt Q reflektierte und in seiner spektralen Zusammensetzung durch das Objekt 0 veränderte Licht aufnimmt und dem Eintrittsspalt 31 des Monochromators 3 zuführt. Das spektral zerlegte Licit 300 wird auf die Lichtmesseinrichtung 4 fokussiert. Diese Licltmesse inr ichtung 4 besteht aus mehreren hundert. nobene i nander- 1 legenden Fotozellen (Fotozellenarray). Ein Taktgeber 5 ruft nacheinander die Signale der einzelnen Fotozellen ab und steuert dabei gleichzeitig die Zeitbasis eines Oszi11ografen 6. Die Signa11eitungen 1U) leiten das Signal den Messplatten des Oszi11ografen zu. Dadurch entsteht ein Spektrum auf dem Sicht-
6
schirm des Oszi11ografen. Die Abtastfrequenz ist zweckmässig
mehr als 20 Hz, sodass ein stehendes und schnei 1 ansprechendes Spektrum des Ref1 exions 1 ichtes entsteht.
Die NuI linie der Anordnung lässt sich dadurch erzeugen, dass ein Reflexionsstandard vor den Lichtleiter 1 gebracht wird.
Es kann jedoch auch ein zweiter Lichtleiter 8 vorgesehen sein, der sich zusammen mit dem Lichtleiter 1 auf einer Drehplatte 0 befindet und der ebenfalls am geräteseitigen Ende in zwei Teile 80 und
$09851/0335 8/
ORIGINAL INSPECTED
AA
81 aufgespalten ist. Dem ob j ekt se i tigen Ende des Lichtleiters 8 steht, ein Ref le< i onsstanda rd 7 gegenüber .Werden durch eine Drehung der Platte 9 die Enden 80 und 81 des Lichtleiters vor die Spalte 22 und 31 der Beleuchtungseinrichtung 2 und des Monochromators 3 gebracht, dann entsteht sofort die Nu 1 1 iηie auf dem Oszi11ografen 6.
So 1 1 d iese NuI linie eine Gerade sein, werden zwec kmäss ig elektronisch« Mittel 400 vorgesehen, durch die in bekannter Weise die Signalhöhe der einzelnen Zellen des Fotoze 11enarrays derart verstellt wird, dass einegerade Nullinie für das vom Reflexionsstandard reflektierte Lampenspektrum auf dem Oszi11ografen ent st eht .
Ein Distanzring 100 hält das objektseitige Ende des Lichtleiters 1 in der richtigen Entfernung vom Messobjekt. In dem Distanzring können Messfühler, beispielsweise zur Temperaturmessung, Messelek troden, beispielsweise zur Leitfähigkeitsmessung oder Mittel zur Einwirkung auf die Gewebeoberfläche, beispielsweise Strahler oder Heizer angeordnet sein. Damit können zusätzlich zur Far noch weitere Parameter der Gewebeoberfläche bestimmt werden Falls bewegliche Teile in Kauf genommen werden können, kann das Fotozel1enarray auch durch einen periodisch bewegten Monochro mator ersetzt werden. Dann ist nur ein einziger Empfänger erforderlich. Dessen Signal wird dem Messplatten des Oszillografen zugeführt und gleichzeitig die Periodizität der Bewegung des Monochromators zur Steuerung der Zeitbasis des Oszlilografen verwendet. Ein relativ einfacher Monochromtor dieser Art wird durch ein rotierendes Verlaufsfilter dargestellt.
009851/0336 ,
ORlQtNAt. INSPECTED
-Sl-
Ail
In Fig.2 ist der Lichtleiter 1 ebenfalls in die Hälften 11 zur Entnahme von Licht aus der Beleuchtungseinrichtung 2 und zur Hinleitung des reflektierten Lichtes an den Monochromator aufgetei11.E in weitererLicht1eiter 800 ist mit seinem einen Ende unmittelbar neben dem Lichtleiterteil 11 des Lichtleiters 1, mit seinem anderen Ende unmittelbar neben dem Lichtleiterteil 12 des Lichtleiters 1 angeordnet. Diesen Lichtleiterenden stehen, durch den Filterring eines kreisförmigen Verlaufsfilters get rennt,zwei Lichtmesseinrichtungen 45,46 gegenüber, 'die soweit entkoppelt sind, dass nur jeweils Licht aus einem der beiden Lichtleiterenden ein Signal erzeugt. Das Verlaufsfilter 35 wird durch einen Elektromotor 36 angetrieben. Die Signale der Empfänger 45,46 sind durch Zuleitungen 47 vorzugsweise auf einen Quotientenbi1dner 48 geleitet, dessen Signal auf e inem Osz i 1 1 ograf en 6 angezeigt wird. Dadurch,dass durch den Lichtleiter 800 die Strahlung der Lampe 2 durch nahezu die gleiche Filterstelle des Verlaufsfilters wie die Objektstrahlung analysiert wird, fällt, durch die ansch 1 i essende Quotientenbildung die Strahlungscharakteristik der Bei euchtungse i nr i cht ung 2 aus dem Messergebnis heraus.
(1/
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L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    I 1 Λ Spektra 1 fotometer, bestehend aus einer Beleuchtungsvorrichtung, einem Monochromator, mindestens einem Messstrahlengang sowie einer Lichtmesseinrichtung mit einer Anzeige, dadurch gekennzeichnet, dass der Messtrahlengang und der Beleuchtungsstrahlengang als gemeinsamer Lichtleiter ausgebildet ist, wobei der eine Tei l^es Lichtleiters das Licht zum Messobjekt führt, der andere Teil des Lichtleiters das reflektierte Licht zum Monochromator leitet, dass das Spektrum des Monochromator auf die als Fotozel1enarray ausgebildete Lichtmesseinrί vollständig abgebildet ist und dass das Signal des Fotozellenarrays durch einen Ta ktgeber^~Kont i nu i er 1 i ch und periodisch abtasbar und durch einen Osz i 1 1 ograf erHar st e 1 1 bar ist.
    2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Lichtleiter-Vorgesehen ist, dessen messobjektse 11iges Ende auf einen Reflexionsstandard gerichtet ist und dass die beiden Lichtleiter abwechselnd dem Monochromatorzuscha1tbar sind
    3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die
    G)
    Einze1 empfänger des Fotozel1enarrays^aurch elektronische Mittel nach ihror f-'mpf i nrl 1 i chke i t. kompensierbar sind.
    ^. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastgeschwindigkeit des Fotozel1enarrays mehr als 20 Hz bet ragt .
    •09861/0336
    ORIGINAL INSPECTED
    5. Spektra1fotometer, bestehend aus einer Beleuchtungsvorrichtung, einem Monochromator, mindestens einem Messstrahlen gang sowie einer Lichtmesseinrichtun mit einer Anzeige, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrah1engang und der Beleuchtungsstrahlengang als gemeinsamer Lichtleiter ausgebildet ist, wobei der eine Teil des Lichtleiters das Licht zum Messobjekt führt, der andere Teir~cles Lichtleiters das reflektierte Licht zum Monochromator leitet, dass das reflektierte Licht über einen
    periodisch bewegten Monochromator einer Lichtmesseinrichtung zugeführt ist und die Bewegung des Monochromator s"~a i e Zeit-
    ®
    basis des Q.sz i 1 1 ografen steuert, während das Signal der Lichtmesse Inr ichtung den Messplatten des Osz i 1 1 ograf en zugeführt, ist.
    6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Monochromator als rotierendes Verlaufsfilter ausgebildet ist.
    7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet,
    Mot))
    dass am objektseitigen Ende des Lichtleiters ein Distanzring angeordnet i st.
    8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Distanzring Mittel zur Messung weiterer Parameter der Gewebeoberfläche angeordnet sind.
    12/
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    TT-
    9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zu Einwirkung auf die Gewebeoberfläche in dem Distanzring angeordnet sind.
    10. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Lichtleiter vorgesehen ist, der Licht von der Beleuchtungseinrichtung abnimmt und der unmittelbar neben dem das reflektierte Licht, führenden Lichtleiter vor dem rotierenden Verlaufsfilter angeordnet ist, dass dem zweiten
    Lichtleiter eine zweite Lichtmesseinrichtung zugeordnet ist und
    die Signale der beiden Lichtmesseinrichtungen über einen Ouot ientenbi ldner^der Anze i gevor r i chtung^ugef ührt sind.
    11. Anordnung nach Anspruch (ί , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchlasswellenlänge des Verlaufsfilters mit dem Sinus des Umfangswinkels ändert.
    12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauf und der Rücklauf des Oszi11ografen mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgt.
    13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitbasis des Osz i1 lografen sinusförmig verläuft.
    Tt. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet-, dass als Oszillografenröhre eine Fernsehröhre
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