DE4414679B4 - Method for determining the degree of oxygenation of an object - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung des Oxigenisierungsgrades eines Objektes (18), das wenigstens zwei Substanzen enthält, die Licht in Abhängigkeit der Wellenlänge unterschiedlich absorbieren, in welchem die Konzentrationen der zwei Substanzen gemessen werden, wobei das die zwei Substanzen enthaltende Objekt (18) von einem Lichtstrahl (14) mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wellenlängen (λ1, λ2), die jeweils auf einen Wellenlängenbereich oder eine Wellenlänge abgestimmt sind, für welche die wenigstens zwei Substanzen eine Absorption aufweisen, rasterförmig zweidimensional mittels einer Strahlablenkungsvorrichtung (12) abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein die zwei Substanzen enthaltendes Objekt (18) zur Messung bereitgestellt wird, in welchem die erste der zwei Substanzen eine oxidierte Form der zweiten Substanz und die zweite der zwei Substanzen eine reduzierte Form der ersten Substanz ist, dass aus den bei der Abtastung erzeugten Signalen an zwei benachbarten Stellen s und ds + s im Objekt (18) die örtlichen Absorptionsänderungen an der Stellen s, die örtlichen Konzentrationsänderungen an der Stelle s...Method for determining the degree of oxygenation of an object (18) which contains at least two substances which absorb light differently depending on the wavelength in which the concentrations of the two substances are measured, the object (18) containing the two substances being detected by a light beam ( 14) having at least two different wavelengths (λ 1 , λ 2 ), which are respectively tuned to a wavelength range or a wavelength for which the at least two substances have an absorption, is scanned in a two-dimensional grid by means of a beam deflection device (12), characterized in that an object (18) containing the two substances is provided for measurement, in which the first of the two substances is an oxidized form of the second substance and the second of the two substances is a reduced form of the first substance, that of the signals generated during the scanning at two adjacent Stell s s and ds + s in the object (18) the local absorption changes at the points s, the local concentration changes at the point s ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein verfahren zur Bestimmung des Oxigenisierungsgrades eines Objektes gemäß den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.The The invention relates to a method for determining the degree of oxygenation an object according to the Preamble of claim 1 specified characteristics.
In vielen Bereichen der medizinischen Diagnostik ist es wichtig, den Gewebeoxygenisierungsgrad quantitativ zu bestimmen. Insbesondere in der Augenheilkunde besteht eine große klinische Notwendigkeit für eine örtlich und zeitlich aufgelöste Messung von Substanzen des Sauerstoffmetabolismus in der Netzhaut. Die drei Zellschichten der Netzhaut werden bekanntlich von zwei unabhängigen Blutgefäßsystemen mit Sauerstoff versorgt, wobei die Fotorezeptoren von der Aderhaut und die Bipolar- und Amakrinzellen sowie die Nervenzellen von retinalen Gefäßen versorgt werden. Es ist klinisch erforderlich, den Oxygenisierungsgrad der Netzhaut in den verschiedenen Schichten zu bestimmen, wobei vor allem die Oxydationszustände von Hämoglobin und Cytochrom aa3 ein Maß für die Güte der Sauerstoffversorgung im Gewebe darstellen.In many areas of medical diagnostics, it is important to quantify the degree of tissue oxygenation. Particularly in ophthalmology, there is a great clinical need for a spatially and temporally resolved measurement of oxygen metabolism substances in the retina. The three cell layers of the retina are known to be supplied by two independent blood vessel systems with oxygen, the photoreceptors are supplied by the choroid and the bipolar and Amakrinzellen and the nerve cells of retinal vessels. It is clinically necessary to determine the degree of oxygenation of the retina in the various layers, whereby, in particular, the oxidation states of hemoglobin and cytochrome aa 3 represent a measure of the quality of the oxygen supply in the tissue.
In
der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentanmeldung
Im
Dokument
Im
Dokument
Das
Dokument
Hämoglobin
und Cytochrom aa3 zeigen einen im nahen
Infrarotlicht vorn Oxydationszustand abhängigen Absorptionskoeffizienten.
Daher können bekanntlich
mit infrarotem Licht die Konzentration von oxygeniertem Hämoglobin
und oxydiertem Cytochrom aa3 bestimmt werden.
Im Gewebe wird infrarotes Licht stark gestreut, jedoch nur sehr
gering absorbiert, wobei im Fettgewebe der Streukoeffizient in der Größenordnung
von 400 cm–1 liegt.
Für die
Bestimmung der Konzentration C eines interessierenden Stoffes kann
von dem Lambert-Beer'schen
Gesetz ausgegangen werden:
In dieser Formel bedeuten t die mittlere optische Weglänge der Photonen, μ der molare Absorptionskoeffizient der untersuchten Substanz, μa der Gesamtabsorptionskoeffizient aller anderen vorhandenen Substanzen, μa, der Streukoeffizient, I0 die eingestrahlte Lichtintensität sowie I die nach Absorption und Streuung gemessene Lichtintensität. Hierbei ist es unerheblich, ob die Messung im Durchlicht oder im Auflicht durchgeführt wird.In this formula, t represents the mean optical path length of the photons, μ the molar absorption coefficient of the substance under investigation, μa the total absorption coefficient of all other substances present, μ a , the scattering coefficient, I 0 the irradiated light intensity and I after absorption and scattered light intensity. It is irrelevant whether the measurement is carried out in transmitted light or reflected light.
Nimmt
man an, dass bei einem ausgedehnten Objekt der Gesamtabsorptionskoeffizient μ und der
Streukoeffizient μs örtlich
konstant sind, so ergibt sich für
eine gemessene Lichtintensität
in einer bestimmten Stelle s(x, y, z) des Objektes:
Durch
Messung von I an zwei benachbarten Stellen s und s + ds lässt sich
aus der Gleichung (2) die Größe
Hämoglobin in oxydierter Form – nachfolgend Hb02 genannt – absorbiert bevorzugt Licht der Wellenlänge λ1 = 850 nm, während Hämoglobin in reduzierter Form – nachfolgend HbR genannt – Licht bevorzugt mit einem lokalen Maximum etwa bei λ2 = 720 nm absorbiert. Entsprechendes gilt für die Chromophoren Cytochrom aa3, welche in reduzierter Form bevorzugt bei kurzen Wellenlängen λ1 < 700 nm und in oxydierter Form bevorzugt bei längeren Wellenlängen von etwa λ2 = 880 nm absorbieren. Derartige Substanzen absorbieren Licht in Abhängigkeit der Wellenlänge unterschiedlich, wobei zumindest für einen Wellenlängenbereich oder eine Wellenlänge eine maximale Absorption gegeben ist.Hemoglobin in oxidized form - hereinafter referred to as Hb0 2 - preferably absorbs light of wavelength λ 1 = 850 nm, while hemoglobin in reduced form - hereinafter called HbR - absorbs light preferably with a local maximum at about λ 2 = 720 nm. The same applies to the chromophores cytochrome aa 3 , which absorb in reduced form preferably at short wavelengths λ 1 <700 nm and in oxidized form preferably at longer wavelengths of about λ 2 = 880 nm. Such substances absorb light differently depending on the wavelength, whereby maximum absorption is given for at least one wavelength range or one wavelength.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, um eine räumlich und zeitlich aufgelöste Messung der Konzentrationen von Substanzen erreichen, welche entsprechend dem Oxygenisierungsgrad unterschiedliche Absorptionsbänder besitzen. Ferner soll vor allem der pulsatile Charakter des Sauerstoffmetabolismus örtlich und zeitlich aufgelöst dargestellt werden können. Das Verfahren und soll eine hohe Messgenauigkeit ergeben.Of these, The invention is based on the object, a method to propose a spatially and temporally resolved Measurement of the concentrations of substances reach, which accordingly the oxygenation have different absorption bands. Furthermore, especially the pulsatile nature of oxygen metabolism locally and temporally resolved can be represented. The method and should give a high accuracy.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.The solution This task is performed according to the characterizing Features of claim 1.
Das erfindungsgemäße Verfahren zählt zur Scanning Laser Pulsoximetrie und beinhaltet die Kombination der Messung der Konzentrationen von wenigstens zwei Substanzen, die je nach Oxygenisierungsgrad unterschiedliche Absorptionsbänder besitzen, also für unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche eine maximale Absorption des einfüllenden Lichtes ergeben. So ermöglicht dieses Verfahren insbesondere die Messung der Konzentration von oxydiertem bzw. reduziertem Hämoglobin oder wahlweise der Chromophoren Cytochrom aa3 mittels Absorptionsmessung sowie der bekannten Laser Scanning Technik, wobei durch Vorgabe des Abtastvorgangs der pulsatile Charakter des Sauerstoffmetabolismus örtlich und zeitlich aufgelöst dargestellt werden kann. Erfindungsgemäß wird das zu untersuchende Objekt mittels eines Laser-Abtastsystems rasterförmig und mit zwei Laserquellen unterschiedlicher Wellenlänge gleichzeitig abgetastet. Das Verfahren kann für Auflicht, wobei der einfallende Lichtstrahl reflektiert wird, ebenso zum Einsatz gelangen, wie für Geräte nach dem Durchlichtprinzip.The method according to the invention belongs to scanning laser pulse oximetry and comprises the combination of measuring the concentrations of at least two substances which have different absorption bands depending on the degree of oxygenation, ie for different wavelengths or wavelength ranges, a maximum absorption of the filling light. Thus, this method allows in particular the measurement of the concentration of oxidized or reduced hemoglobin or optionally of the chromophores cytochrome aa 3 by absorption measurement and the known laser scanning technique, which can be represented by specifying the scanning of the pulsatile nature of the oxygen metabolism dissolved in time and space. According to the invention, the object to be examined is scanned in a grid-like manner by means of a laser scanning system and simultaneously with two laser sources of different wavelengths. The method can be used for incident light, wherein the incident light beam is reflected, as well as for devices using the transmitted light principle.
Die unterschiedlichen Wellenlängen der beiden Laserquellen werden entsprechend den zu untersuchenden Substanzen vorgegeben, wobei die Wellenlängen insbesondere auf das Maximum der Absorption der zu untersuchenden Substanzen abgestimmt sind. So werden zur Messung der Konzentrationen von Hämoglobin die Wellenlängen von im wesentlichen 720 nm sowie 850 nm vorgegeben, während zur Messung der Konzentrationen von Cytochrom aa3 die Wellenlängen von vorzugsweise 700 nm und 880 nm vorgegeben werden. Zweckmäßig erfolgt eine praktisch gleichzeitige Abtastung der Substanzen. Es werden die örtlichen Ableitungen der Konzentrationsverläufe der beiden Substanzen erfaßt und nach örtlicher Integration werden die örtlichen Konzentrationen der beiden Substanzen insbesondere von oxydiertem sowie reduziertem Hämoglobin bzw. der Chromophoren Cytochrom aa3 selbst festgestellt. Es werden die relativen Werte der Konzentrationsverläufe und Konzentrationen festgestellt, zumal die optischen Weglängen der Photonen, vor allem aufgrund der starken Streuung, nicht unmittelbar bekannt sind. Darüber hinaus sei festgehalten, daß sich die Photonen aufgrund der starken Streuung nicht ideal gradlinig ausbreiten, wodurch eine starke Schwächung des Meßsignals und eine Begrenzung der örtlichen Auflösung bedingt ist, doch ist für diagnostische Aussagen in der Regel eine qualitative Bestimmung der Konzentrationen ausreichend.The different wavelengths of the two laser sources are specified according to the substances to be examined, the wavelengths being tuned in particular to the maximum of the absorption of the substances to be investigated. Thus, to measure the concentrations of hemoglobin, the wavelengths of substantially 720 nm and 850 nm are given, while for measuring the concentrations of cytochrome aa 3, the wavelengths of preferably 700 nm and 880 nm are given. Appropriately, a virtually simultaneous scanning of the substances takes place. The local derivatives of the concentration curves of the two substances are detected and after local integration, the local concentrations of the two substances, in particular of oxidized and reduced hemoglobin or the chromophores cytochrome aa 3 itself found. The relative values of the concentration gradients and concentrations are determined, especially since the optical path lengths of the photons are not immediately known, above all because of the strong scattering. In addition, it should be noted that the photons do not propagate ideally straightforward due to the large scattering, whereby a strong attenuation of the measurement signal and a limitation of the local resolution is due, but for diagnostic statements, a qualitative determination of the concentrations is sufficient.
Im Gegensatz zu allen bisher bekannten Verfahren ist die erfindungsgemäße Messung der Konzentrationen von Substanzen, welche ein von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes abhängiges und voneinander unabhägiges Absorptionsverhalten aufweisen, insbesondere von HbO2 und HbR sowie Cytochrom aa3 in oxydierter und reduzierter Form gleichzeitig dreidimensional örtlich auflösend, zeitlich auflösend, nicht-invasiv und schnell. In der Augenheilkunde ist keine Erweiterung der Pupille des untersuchten Auges erforderlich. Das Verfahren ermöglicht die zeitlich und dreidimensional örtlich aufgelöste Messung der Konzentrationen von oxydiertem und reduziertem Hämoglobin bzw. Chromophoren Cytochrom aa3, wobei ferner durch Kombination mit der Messung der Fließgeschwindigkeit die örtlich aufgelöste Messung des Sauerstoffverbrauchs erfolgt.In contrast to all previously known methods, the measurement according to the invention of the concentrations of substances which have a dependent on the wavelength of the incident light and independent of each other absorption behavior, in particular of HbO 2 and HbR and cytochrome aa 3 in oxidized and reduced form simultaneously three-dimensional spatial resolution, time-resolved, non-invasive and fast. In ophthalmology, no enlargement of the pupil of the examined eye is required. The method enables the temporally and three-dimensionally spatially resolved measurement of the concentrations of oxidized and reduced hemoglobin or chromophores cytochrome aa 3 , wherein, in combination with the measurement of the flow rate, the spatially resolved measurement of the oxygen consumption is carried out.
Die Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens erstrecken sich in der Augenheilkunde auf alle Erkrankungen der Netzhaut und der Aderhaut, bei denen es durchblutungsbedingt oder metabolisch bedingt zu Störungen der Sauerstoffversorgung kommt. Typische Anwendungen sind Untersuchungen zur Sauerstoffsituation der Netzhaut und der Aderhaut bei der diabetischen Retinopathie, bei arteriellen und venösen Verschlüssen, bei Glaukomerkrankungen sowie bei der Makuladegeneration. Zu medizinischen Einsatzgebieten außerhalb der Augenheilkunde wird insbesondere auf die örtlich und zeitlich aufgelöste Bestimmung der Konzentration von oxydiertem und reduziertem Hämoglobin bzw. Cytochrom aa3 der Haut sowie weiterer Organe wie Herz, Leber, Darm und Gehirn im intraoperativen Einsatz verwiesen.The uses of the method according to the invention in ophthalmology extend to all diseases of the retina and the choroid, in which there is circulatory or metabolically caused disturbances of the oxygen supply. Typical applications are studies on the oxygen situation of the retina and the choroid in diabetic retinopathy, in arterial and venous occlusions, in glaucoma diseases and in macular degeneration. For medical applications outside the field of ophthalmology, in particular the spatially and temporally resolved determination of the concentration of oxidized and reduced hemoglobin or cytochrome aa 3 of the skin and other organs such as the heart, liver, intestine and brain in intraoperative use referenced.
Weitere besondere Ausgestaltungen und Vorteile sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Further special embodiments and advantages are in the subclaims and the following description of two embodiments. The invention will be explained in more detail with reference to the drawings. It demonstrate:
Diese
Strahlablenkungsvorrichtung
Das
vom Objekt
Durch Digitalisierung dieser Detektorsignale ergeben sich entsprechend den beiden Wellenlängen λ1 und λ2 gleichzeitig zwei zweidimensionale Bilder I (s, λ1) und I (s, λ2). Aus diesen beiden zweidimensionalen Bildern werden entsprechend der eingangs genannten Gleichung (3) die Absorptionsänderungen dA (s, λ1) und dA(s, λ2) bestimmt. Aus den Absorptionsänderungen werden dann die lokalen Konzentrationsänderungen dC1(s) und dC2(s) des oxydierten und reduzierten Hämoglobins bzw. Cytochrom aa3 berechnet. Aus den erhaltenen örtlichen Ableitungen der Konzentrationsverläufe der beiden Substanzen werden nach geeigneter, insbesondere örtlicher Integration die örtlichen Konzentrationen C1(s) und C2(s) der beiden untersuchten Substanzen bestimmt.By digitizing these detector signals, two two-dimensional images I (s, λ 1 ) and I (s, λ 2 ) result simultaneously according to the two wavelengths λ 1 and λ 2 . From these two two-dimensional images, the absorption changes dA (s, λ 1 ) and dA (s, λ 2 ) are determined in accordance with the aforementioned equation (3). From the absorption changes, the local concentration changes dC 1 (s) and dC 2 (s) of the oxidized and reduced hemoglobin or cytochrome aa 3 are then calculated. The local concentrations C 1 (s) and C 2 (s) of the two substances investigated are determined from the obtained local derivatives of the concentration curves of the two substances for suitable, in particular local integration certainly.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden mehrere derartige Bildpaare I (s, λ1) und I (s, λ2) für eine vorgegebene Zeitdauer, von vorzugsweise mindestens 1 sec. in einer schnellen Folge nacheinander aufgenommen, so daß beispielsweise 20 Bildpaare pro Sekunde zur Verfügung stehen. Ferner erfolgt während der Aufnahme der genannten Bilder eine simultane Bestimmung des Elektrokardiogramms, so daß eine zeitliche Zuordnung der Stoffkonzentrationen jedes Netzhautpunktes zum Herzschlag im Rahmen dieser Erfindung erfolgt.In a particular embodiment of the invention, a plurality of such image pairs I (s, λ 1 ) and I (s, λ 2 ) are successively recorded for a predetermined period of time, preferably at least 1 second in a fast sequence, so that, for example, 20 image pairs per second be available. Furthermore, a simultaneous determination of the electrocardiogram takes place during the recording of said images, so that a temporal assignment of the substance concentrations of each retinal point to the heartbeat takes place within the scope of this invention.
Ferner wird in zweckmäßiger Weise die Digitalisierung der Bilder in der Weise ausgestaltet, daß elektronisch bereits ein Teil der erläuterten Auswertungen durchgeführt wird. So wird zweckmäßig die erläuterte lokale Absorptionsänderung elektronisch und vor der Digitalisierung durchgeführt, wodurch eine erhebliche Verkürzung der zur Auswertung der Daten erforderlichen Zeit erzielt wird.Further will be done in a convenient way digitizing the images in such a way that electronically already part of the explained Evaluations carried out becomes. So it is expedient the explained local absorbance change done electronically and before digitization, creating a considerable shortening the time required to evaluate the data is achieved.
Es
sei festgehalten, daß auch
bei dem anhand von
In
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Kombination
der oben erläuterten Scanning
Laser Pulsoximetrie mit dem Verfahren der Scanning Laser Doppler
Velocimetrie. Hierbei wird das Laser Scanning System entsprechend
einer der anhand der
Bei allen oben beschriebenen Realisationen läßt sich durch entsprechende Aufbereitung der Bilder die zweidimensional aufgelöste Pulsation der Netzhautoxygenisierung, kombiniert mit der Fließgeschwindigkeit im dritten Verfahren, als Film darstellen. Aus dieser Darstellung können weitere quantitative Parameter wie Pulswellenlaufgeschwindigkeit abgeleitet werden.at All the above-described realizations can be by appropriate Preparation of the images the two-dimensionally resolved pulsation retinal oxygenation, combined with flow rate in the third process, as a movie pose. From this presentation can derived further quantitative parameters such as pulse wave velocity become.
Bei jeder der oben beschriebenen Realisationen kann das Laser-Abtastsystem bevorzugt als konfokales optisches System ausgelegt werden. Hierbei befindet sich vor dem Detektor zur Messung der Intensität des reflektierten Lichts eine sehr kleine Blende, deren Position optisch konjugiert zur Fokalebene des abtastenden Lichtstrahls ist. Dadurch wird erreicht, daß Licht, das aus einer schmalen Umgebung um die Fokalebene reflektiert und somit an der Stelle der kleinen Blende fokussiert wird, diese Blende nahezu ungehindert passieren und detektiert werden kann, daß jedoch solches Licht, das von einer Stelle in einem Abstand von der Fokalebene reflektiert und deshalb nicht auf die kleine Blende fokussiert wird, wirksam unterdrückt wird. Dadurch ergibt sich eine zusätzliche Ortsauflösung in die Tiefe, so daß die Messungen selektiv in einzelnen Schichten des Objekts erfolgen können. Durch geeignete Einstellung der Fokalebene des abtastenden Lichtstrahls kann somit die Sauerstoffsituation der Netzhaut und der Aderhaut voneinander getrennt gemessen und betrachtet werden.In any of the above-described implementations, the laser scanning system may be preferably designed as a confocal optical system. Here, in front of the detector for measuring the intensity of the reflected light, there is a very small diaphragm whose position is optically conjugate to the focal plane of the scanning light beam. This ensures that light that reflects from a narrow environment around the focal plane and thus at the Focusing the small aperture is able to pass this aperture almost unhindered and can be detected, but that such light, which is reflected from a position at a distance from the focal plane and therefore not focused on the small aperture, is effectively suppressed. This results in an additional spatial resolution in the depth, so that the measurements can be made selectively in individual layers of the object. By suitable adjustment of the focal plane of the scanning light beam, the oxygen situation of the retina and the choroid can thus be measured and considered separately from one another.
Das vorgeschlagene Verfahren der Laser Scanning Pulsoximetrie ist nicht auf die hier erwähnten Stoffe Hämoglobin und Cytochrom aa3 beschränkt. Es kann in gleicher Weise zur Messung der Konzentrationen aller Substanzen eingesetzt werden, die insbesondere entsprechend ihrem Oxygenisierungsgrad unterschiedliche Absorptionsbanden haben, also für verschiedene Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche unterschiedliche Absorptionsgrade aufweisen.The proposed method of laser scanning pulse oximetry is not limited to the substances mentioned here hemoglobin and cytochrome aa 3 . It can be used in the same way for the measurement of the concentrations of all substances which have different absorption bands, in particular according to their degree of oxygenation, ie have different absorption levels for different wavelengths or wavelength ranges.
- 11
- erste Laserquelle mit Wellenlänge λ1 first laser source with wavelength λ 1
- 22
- zweite Laserquelle mit Wellenlänge λ2 second laser source with wavelength λ 2
- 33
- Laserstrahl, Wellenlänge λ1 Laser beam, wavelength λ 1
- 44
- Laserstrahl, Wellenlänge λ2 Laser beam, wavelength λ 2
- 66
-
optisches
Element zur Vereinigung von
3 und4 optical element for the union of3 and4 - 88th
- vereinigter Lichtstrahlunited beam of light
- 1010
- optisches Element zur Trennung von hin- und rücklaufendem Lichtstrahloptical Element for separating the back and forth light beam
- 1212
- StrahlablenkungsvorrichtungBeam deflection device
- 1414
- richtungsveränderlicher Lichtstrahldirection variable beam of light
- 1616
- Linsensystemlens system
- 1818
- zu untersuchendes Objektto examining object
- 2020
-
vom
Objekt
18 reflektierter und gestreuter Lichtstrahlfrom the object18 reflected and scattered light beam - 2222
-
optisches
Element zur Trennung von
20 optical element for the separation of20 - 2323
- Lichtstrahl, Wellenlänge λ1 Light beam, wavelength λ 1
- 2424
- Lichtstrahl, Wellenlänge λ2 Light beam, wavelength λ 2
- 26–2826-28
- Detektordetector
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