DE2916323A1 - Vorrichtung zur durchfuehrung optischer messungen an einem lebenden koerper - Google Patents
Vorrichtung zur durchfuehrung optischer messungen an einem lebenden koerperInfo
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Description
2916323 Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch Patentanwälte
53 799/Pa"th
43 Essen 1,Theaterplatz3, Postf.789
20. April 1979
Patentanmeldung
THE PRESIDENT OP HOKKAIDO UNIVERSITY
No. 8, Nishi 5-Chome, Kity 8-Jo, Kita-Ku,
Vorrichtung zur Durchführung optischer
Messungen an einem lebenden Körper.
Messungen an einem lebenden Körper.
Man kennt bereits verschiedene Vorrichtungen, mittels deren Informationen
über die Innengewebe eines lebenden Körpers erhaltbar , sindj, bei denen ein Lichtstrahl auf den lebenden Körper geworfen
und das durch das Innengewebe verstreute Licht gemessen wird. ! Diese Vorrichtungen benötigen eine Lichtquelle, welche ein Licht-'
bündel auf den lebenden Körper richtet, sowie ein Fotometer, um . das von demselben verstreute Licht zu messen. Gewöhnlich liegen
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die Lichtquelle und das Fotometer auf ein und derselben Seite des
lebenden Körpers. Eine derartige Einrichtung ist als Reflektions-Vorrichtung
bekannt. Bei derartigen Reflektionsgeräten empfängt das Fotometer jedoch zusammen mit dem vom Innengewebe verstreuten
Licht, welches gemessen werden soll, ein starkes Lichtbündel, welches von der Oberfläche des Körpers reflektiert wird. Infolgedessen
wird es äußerst schwierig, genaue Messungen des Streulichtes vom Innengewebe zu erhalten.
In der Praxis kennt man bereits Lasermikroskope und andere derartige moderne optische Vorrichtungen. Da diese Art optischer
Messungen in neuerer Zeit stark zunimmt, dürfte eine derartige Vorrichtung ein sich ständig erweiterndes Einsatzgebiet finden.
Allerdings haben auch derartige Vorrichtungen den Nachteil einer Reflection von der Oberfläche des Körpers. Mit anderen Worten,
die Meßvorrichtung kann das Streulicht nicht genau messen, da sie auch das von der Oberfläche reflektierte Licht empfängt, welches
nichts mit dem Feingewebe innerhalb des Körpers zu tun hat.
Eine Vorrichtung der letztgenannten Art ist beispielsweise als Laser-Dopplermikroskop bekannt. Hierbei wird zunächst ein Lichtstrahlenbündel,
10-40 Axcci, welches von einem Laser ausgestrahlt
wird, in zwei Lichtstrahlenbündel aufgeteilt, zu welchem Zweck ein Prisma oder dgl. verwendet wird. Diese beiden Strahlenbündel
werden in einem derartigen Winkel beispielsweise auf ein feines Blutgefäß in einem lebenden Gewebe durch ein optisches System
mit entsprechenden Mikroskoplinsen geworfen, daß die beiden Strahlenbündel einander im Blutgefäß schneiden. Blutkörper im
Blutgefäß zerstreuen die auf sie auftreffenden Strahlenbündel.
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Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen
Infolgedessen verursachen die beiden einfallenden Lichtstrahlen Doppler-Abweichungen entsprechend ihrem jeweiligen Einfallwinkel
und der Strömungsgeschwindigkeit der Blutkörper, wodurch die Lichtfrequenz leicht verändert wird. Durch Messung der durch die
Blutkörper verstreuten Lichtstrahlen mittels eines im Mikroskop eingebauten Fotomultiplikators erhält man eine der Strömungsgeschwindigkeit
des Blutstromes entsprechende Information. Wenn das Mikroskop scharf auf den Punkt eingestellt wird, in welchem
die beiden Laserstrahlen einander schneiden, so wird die Schlagfrequenz der beiden durch den Dopplereffekt verschobenen Lichtstrahlen
in Form eines elektrischen Signals abgenommen. Diese Frequenz ist theoretisch der Strömungsgeschwindigkeit des Blutstromes
in einem feinen Blutgefäß proportional. Gestört wird hierbei jedoch, wie bereits erwähnt, die genaue Messung durch
die von der Oberfläche des lebenden Gewebes reflektierten Lichtstrahlen.
Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung
zur Durchführung optischer Messungen an einem lebenden Körper zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweist,
vielmehr sehr genaue Messungen ohne jegliche Störungen durch reflektierte Lichtstrahlen erlaubt.
Gekennzeichnet ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung im wesentlichen
durch eine auf die Oberfläche eines zu messenden lebenden Organes aufbringbare transparente Platte mit annähernd dem gleichen
Brechungsindex wie das Organ, durch eine wenigstens zwei die transparente Platte durchdringende und sich in einem Meßpunkt
innerhalb des lebenden Organes schneidende Laserstrahlen ab-
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gebende Einrichtung und durch eine den sich vom Meßpunkt ausbreitenden
und an einem von den Einfallpunkten der Laserstrahlen abweichenden Punkt aus der transparenten Platte austretenden
Lichtstrahl beobachtende Einrichtung.
Weitere Besonderheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden
Zeichnungen; es zeigt
Pig.l eine Vorrichtung zur Durchführung optischer Messungen
an einem lebenden Körper;
Fig.2 ein Stufenschaubild der Strömungsgeschwindigkeit gegenüber
der auftretenden Frequenz als Beispiel der Resultate bei einer herkömmlichen Messung;
Fig.3 Einzelheiten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im
Teilschnitt;
Fig.4 ein Stufenschaubild der Strömungsgeschwindigkeit gegenüber
der auftretenden Frequenz als Beispiel der Meßresultate bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig.5 als Vergleichsdiagramm des Resultates einer herkömmlichen
Messung und einer Messung mittels der erfindungsgemäßen
Vorrichtung unter Verwendung von Kurven, welche die Verbindung zwischen der abgelaufenen Zeit und der durchschnittlichen
Strömungsgeschwindigkeit zeigen; und
Fig.6 eine Meßfläche bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ip
Fig.l zeigt die Messung der Strömungsgeschwindigkeit des Blutstromes
in einem feinen Blutgefäß einer Lunge 12 eines Frosches 11. Eine Brustwand des Frosches 11 ist aufgeschnitten, sodaß die
Lunge 12 freiliegt. Gleichzeitig wird mittels eines Detektors I^
ein Elektrokardiogramm des Frosches 11 abgenommen, um die R-Welle
entsprechend dem Herzschlag zu bestimmen. Dann wird einer Time-Sharing-Steuers chaltung 14 ein entsprechendes Zeitgeber-Signal
zugeleitet.
Bei den bisher bekannten Meßvorrichtungen wirft ein Laser 15
Laserstrahlenbündel direkt auf die Lunge 12, d.h. ohne Zwischenschaltung der in Fig.l angedeuteten transparenten Platte JO. Wie
bereits erwähnt werden die beiden Laserstrahlenbündel derart ausgerichtet, daß sie einander in einem feinen Blutgefäß der Lunge
12 schneiden. Ein Mikroskop wird dann auf die Stelle scharf eingestellt, an welcher die beiden Lichtstrahlenbündel einander
schneiden, sodaß das Mikroskop die durch die Blutkörper im Blutgefäß verstreuten Lichtstrahlen feststellt. Ein dieses Streulicht
aufnehmender Fotomultiplikator 16 nimmt die durch den Dopplereffekt verschobene Schlagfrequenz entsprechend der Strömungsgeschwindigkeit
des Blutes in Form eines elektrischen Signales ab. Eine Filtersohaltung 17 entfernt unnötige Störsignale und
dgl., welche im elektrischen Signal enthalten sind. Eine Schlag-Analyseschaltung
18 wandelt das von der Filterschaltung 17 herkommende Signal in ein Schlagfrequenz-Signal um, welches der
Time-Sharing-Steuerschaltung 14 als Strömungsgeschwindigkeits-Signal eingespeist wird.
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Diese Time-Sharing-Steuerschaltung 14 teilt das genannte Eingangs-Signal
in beispielsweise 60yu sec-Schritte, und zwar beginnend,
wenn der Detektor 13 das Auftreten der R-Welle feststellt. Die Schaltung 14 sammelt die durch das Strömungsgeschwindigkeits-Signal
in der ersten Hälfte eines jeden Schrittes dargestellten Daten, gibt das Wellenspitzen-Intervall der gemessenen
Strömungsgeschwindigkeits-Signalwelle als Zeitsignal ab und liefert
für jeden Schritt eine integrierte Aufzeichnung auf einem Aufzeichner 19 für ein Stufenschaubild.
Da die Blutkörper im Blutgefäß selbst zum gleichen Zeitpunkt des
Herzschlag-Zyklus, bei welchem die R-Welle auftritt, nicht mit konstanter Geschwindigkeit fließen, ergeben sich auf dem Aufzeichner
19 die Stufenschaubilder der Strömungsgeschwindigkeit
gegenüber der auftretenden Frequenz entsprechend Fig.2.
Dabei zeigt Fig.2 sechszehn Stufenschaubilder (a) bis (p). Das
unterste Stufenschaubild (a) stellt die Blutstromgeschwindigkeit und seine von den während der O-3Oyu sec-Periode gemessenen
Geschwindigkeiten abgeleitete auftretende Frequenz unmittelbar nach dem Auftreten der R-Welle für jeweils zehn Herzschläge dar.
In der gleichen Weise stellen die Stufenschaubilder (b) und (c)
die Strömungsgeschwindigkeiten und ihre Frequenzen für die 60-90 Ai see- bezw. 120-150yu sec-Perioden dar. Die sechszehn Stufenschaubilder
sind um 60yu sec-Schritte im Anschluß an das Auftreten der R-Welle oder den Beginn der Herzkontraktion getrennt,
wobei die Datenaufzeichnung in der der ersten Hälfte eines jeden Schrittes entsprechenden 30/u sec-Periode erfolgt. Das oberste
Stufenschaubild (p) steht für die 900-930yU sec-Periode nach dem Auftreten der R-Welle.
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In Pig.2 repräsentiert die wagerechte Achse eine Wellendauer oder
ein Wellenspitzen-Intervall eines Schlagfrequenz-Signals, welches
-.4
in 10 sec-Schritten abgegeben wird. Sie zeigt die Strömungsgeschwindigkeit
gegenüber der Wellendauer. Wenn die Wellendauer mit T bezeichnet wird, so läßt sich ihre Beziehung zur Strömungsgeschwindigkeit
durch folgende Gleichung ausdrucken:
■1
Strömungsgeschwindigkeit = a
wobei a = einer Punktion des Winkels ist, in welchem die beiden
Laserstrahlenbündel einander schneiden, d.h. eine vom Laseraufbau abhängende Konstante.
Zum Vergleich aller Stufenschaubilder ist in Fig.2 eine Linie X
eingezeichnet, welche die Spitzen der einzelnen Kurven (p)-(a) miteinander verbindet. Die Kurven in Fig.2 zeigen nur geringe
Veränderungen mit dem Herzschlag-Rythmus. Zur Messung werden die
beiden Laserstrahlenbündel derart eingestellt, daß sie einander auf der kleinen Arterie der Lunge 12 schneiden. Das Mikroskop,
mittels welchem das durch die Blutkörper in der Arterie verstreute Licht für den Fotomultiplikator 16 gesammelt wird, wird auf
die kleine Arterie scharf eingestellt. Trotzdem wird bei dieser Anordnung kein Signal gemessen, welches die Blutstromgeschwindigkeit
angibt, da das von der Oberfläche des Körpers reflektierte Licht eine Messung des Streulichtes verhindert.
Abhilfe schafft hier die Erfindung, von welcher nachstehend ein Ausführungsbeispiel beschrieben werden soll. Wie Fig.l zeigt,
wird erfindungsgemäß eine transparente Platte 30 aus hydriertem
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-S-
Kunststoff auf die Oberfläche der Lunge 12 aufgelegt, welche gemessen werden soll. Durch diese transparente Platte 30 werden
die Laserstrahlenbündel hindurchgeworfen und der Fotomultiplikator 16 stellt durch diese transparente Platte 30 hindurch das
Streulicht fest.
Eine ausschnittsweise Vergrößerung des Meßbereiches in vergrößertem
Maßstabe zeigt Fig.35. Gemessen werden soll hierbei ein Blutgefäß
351, auf welches außen eine transparente Platte 30 aufgelegt
ist, d.h. genauer gesagt, auf die freiliegende Oberfläche der Lunge 12, wobei eine Schicht 352 aus einer physiologischen Salzlösung
oder Natriumchlorid zwischen beiden angeordnet ist. Die Laserstrahlenbündel 33 werden schräg auf die transparente Platte
30 gerichtet, wobei, wenn auch Fig.3 nur ein derartiges Strahlenbündel
zeigt, tatsächlich zwei Laserstrahlenbündel 33 durch die transparente Platte 30 aus zwei Richtungen und beispielsweise mit
dem gleichen Einfallwinkel hindurchgehen, sodaß sie einander im Blutgefäß 31 schneiden.
Bei einem derartigen Verlauf der Laserstrahlenbündel 33 reflektieren
die Oberfläche der transparenten Platte 30 und die des zu messenden Körpers Lichtstrahlen, wie sie in Fig.3 durch die
Bezugszeichen 3^& und 3^b angedeutet sind. Da diese Reflektionsstrahlen
nichts mit der Strömungsgeschwindigkeit des Blutes im Blutgefäß 31 zu feun haben, sind diese Reflektionsstrahlen unbrauchbare
Lichtsignale.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung tritt das Streulicht 36
vom Blutgefäß 31 an der transparenten Platte 30 jedoch in einem Punkt 37 aus, welcher von den unbrauchbaren Reflektionsstrahlen
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AO
entfernt liegt. Das Mikroskop wird nun derart eingestellt, daß sein Gesichtsfeld diesen Punkt 37 erfaßt und wird dann auf einen
Punkt J58 scharf eingestellt, in welchem die beiden Laserstrahlenbündel
einander schneiden, woraufhin der Fotomultiplikator 16 derart eingestellt wird, daß er das Streulicht 36 beobachtet.
Alsdann vermag der Potomultipiikator 16 das für die Messung ausschlaggebende
Streulicht 36 allein zu messen. Die unbrauchbaren Reflektionsstrahlen J54a und jkb werden auf diese Weise einwandfrei
ausgeschaltet.
Fig.4 zeigt in gleicher Weise wie Fig.2 Stufenschaubilder, welche
hier jedoch mit der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung gemessen wurden. Ein Vergleich des Kurvenverlaufes im
Schnittpunkt mit der Linie X zeigt einen eindeutigen Unterschied zwischen den Figuren 4 und 2. Eindeutig beginnen die Kurven sich
bei (o) oder 120 yu see nach Auftreten der R-Welle zur "schnellen
Seite" hin zu verschieben, zeigen den höchsten Wert bei (h) oder nach 420/U see und kehren dann allmählich zur "langsamen Seite"
zurück.
Die Kurven I und II in Fig.5 erlauben einen Vergleich der herkömmlichen
Meßresultate gemäß Fig.2 und dem durch die Erfindung erreichten Meßresultat gemäß Fig.4 anhand der Beziehung zwischen
der nach dem Auftreten der R-Welle abgelaufenen Zeit und der durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit aus den Kurven (a)
bis (p). Die durch die erfindungsgemäße Messung erzielte Kurve II zeigt eindeutig das Pulsieren des Blutstromes im kleinen Blutgefäß
bezw. der zu messenden Arterie Jl.
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Andrejewski, Honke, Gesthuysen & Masch, Patentanwälte in Essen
Pig.6 zeigt den optischen Effekt der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der mit den Laserstrahlenbündeln bestrahlte Teil wird vom Fotomultiplikator beobachtet. Die beiden Lichtpunkte 39a und 39b
auf der linken Seite sind Totalreflektionen der beiden Laserstrahlenbündel
von der Einfallebene an der Oberfläche der transparenten Platte 30 aus hydriertem Kunststoff, die auf die Oberfläche
des zu messenden Körpers aufgelegt ist. Die Lichtpunkte 40a und 4ob in der Mitte sind Reflektionen an der Grenzfläche
zwischen der Rückseite der transparenten Platte 30 und der physiologischen
Salzlösung, welche zwischen der Rückseite dieser Platte und dem Lungengewebe angeordnet ist. Die Lichtpunkte 40a
und 40b sind ausreichend dunkler und liegen näher beieinander als die Lichtpunkte 39a und 39b. Auf der rechten Seite des
Gesichtsfeldes findet sich ein heller Lichtfleck 4l, welcher durch die beiden auf einen Punkt in der Arterie scharf eingestellten und unter dem Einfluß der Doppler-Verschiebung verstreuten
Lichtstrahlenbündel gebildet wird. Hier ist das Gewebe der Lunge kaum sichtbar, da die durch die Laserstrahlenbündel beleuchtete
Fläche sehr begrenzt ist.
Wenn man nun diesen hellen Lichtpunkt 41 in die Mitte des Blickfeldes
des Mikroskopes bringt, tritt nur das erwünschte Streulicht in den Potomultiplikator ein, sodaß eine genaue Messung
möglich ist und Strömungsgeschwindigkeits-Signale abgegeben werden.
Wenn, wie dies bei den bisher üblichen Meßvorrichtungen der Pall
ist, die transparente Platte 30 nicht vorhanden wäre, würden die
Reflektionen an den vier Lichtpunkten 39a, 39b, 40a und 40b mit
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-H-
dem hellen Lichtpunkt 41 des Streulichtes zusammenfallen, sodaß das Reflektionslicht, welches wesentlich kräftiger ist als das
Streulicht, in den Fotomultiplikator eintreten würde. Infolgedessen wäre eine Feststellung der durch den Doppler-Effekt verschobenen
Frequenz und damit die gewünschte optische Messung unmöglich.
Dieses Ausschalten der unbrauchbaren Reflektionsfläche von der Streulicht-Meßebene läßt sich bei verschiedenen optischen Messungen
anwenden. So ist es beispielsweise für die Messung von Abbildungseffekten (image forming performance) verwendbar, wenn zur
Verhinderung der Lichtbrechung ein geeignetes Schichtmaterial ausgewählt wird.
Wie vorstehende Erläuterungen gezeigt haben, ermöglicht die Erfindung eine leichte und effektive optische Messung an lebenden
Körpern. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet, daß nur das Streulicht an dem gewünschten Punkt
gemessen wird und das vom auftreffenden Lichtstrahl reflektierte unbrauchbare Licht ausgeschaltet wird.
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Bezugs zeichen: . >^
11 Frosch
12 Froschlunge
13 Detektor
14 Time-Sharing-Steuerkreis
15 Laser
16 Fotomultiplikator
17 Filterschaltung
18 Schlag-Analyseschaltung
19 Aufzeichner für Stufenschaubild
30 transparente Platte
31 Blutgefäß
32 Schicht aus physiologischer Salzlösung
33 Laserstrahlen
34a, 34b reflektiertes Licht
36 Streulicht
37 Austrittspunkt von 36 aus
38 Schnittpunkt der Laserstrahlen 39a, 39b, 40a, 40b Lichtpunkte
4l heller Lichtpunkt.
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Leerseite
Claims (2)
1. Vorrichtung zur Durchführung optischer Messungen an einem lebenden Körper, gekennzeichnet durch eine
auf die Oberfläche eines zu messenden lebenden Organes (31) aufbringbare transparente Platte (30) mit annähernd dem gleichen
Brechungsindex wie das Organ, durch eine wenigstens zwei die transparente Platte durchdringende und sich in einem Meßpunkt
(38) innerhalb des lebenden Organes schneidende Laserstrahlen (33) abgebende Einrichtung (I5) und durch eine den sich vom Meßpunkt
ausbreitenden und an einem von den Einfallpunkten der Laserstrahlen abweichenden Punkt (37) aus der transparenten Platte
austretenden Lichtstrahl (36) beobachtende Einrichtung (16)»
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
transparente Platte (30) aus hydriertem Kunststoff besteht.
3· Vorrichtung nach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der transparenten Platte (30) und der Oberfläche des lebenden Organes (31) eine dünne Schicht (32) einer physiologischen
Salzlösung angeordnet ist.
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