DE19741982A1

DE19741982A1 - System for local noninvasive functional indicating of dermal blood perfusion

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Publication number: DE19741982A1
Application number: DE19741982A
Authority: DE
Original assignee: Blazek Vladimir Prof Dr-Ing 52074 Aachen De
Current assignee: Blazek Vladimir Prof Dr-Ing 52074 Aachen De
Priority date: 1996-09-23
Filing date: 1997-09-23
Publication date: 1998-10-08

Abstract

The system has at least one light source. The light acts on the measurement area and is reflected from this and the underlying layers. A light detector system is designed to select measuring beams in their spatial and spectral distributions and images the region of the measurement area on the light detector system. The light impinging on the detector is resolved spatially and temporally. The image signals are identified, analysed and blood volume fluctuations are identified and indicated. Devices are provided, which allow a selective illumination of the measurement area or a selective evaluation of the light emanating from the measurement area.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der der malen Blutperfusion in menschlichen Extremitäten gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.The invention relates to a device for non-invasive detection of the paint blood perfusion in human extremities according to the preamble of the patent claim 1.

Eine Vorrichtung, von der bei der Formulierung des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ausgegangen wird, ist beispielsweise aus der EP-A-0 063 649 bekannt. Diese Vor richtung weist einen Sensor auf, der wenigstens eine Lichtquelle und ein Lichtdetektor aufweist. Auf diese Druckschrift wird im übrigen zur Erläuterung aller hier nicht näher beschriebenen Begriffe ausdrücklich verwiesen.A device of which in the formulation of the preamble of the claim 1 is known, for example, from EP-A-0 063 649. This before direction has a sensor, the at least one light source and a light detector having. Incidentally, this document is not used to explain everything here expressly referred to the terms described.

Ferner sind zweikanalige Vorrichtungen bekannt geworden, die nach dem aus der EP-A-0 063 649 bekannten Prinzip arbeiten.Furthermore, two-channel devices have become known, which according to the EP-A-0 063 649 known principle work.

Darüber hinaus sind in den letzten Jahren eine ganze Reihe weiterer Vorrichtungen zur nichtinvasiven Erfassung der dermalen Blutperfusion entwickelt worden. Hierbei sind insbesondere Vorrichtungen für Screening-Meßmethoden, für transkutane, funktionelle Studien der venösen und/oder arteriellen Hämodynamik zu nennen. Zu den bei diesen Vorrichtungen realisierten Meßmethoden zählt auch die von A. B. Hertzman in "The blood supply of various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph" (Amer. J. Physiol. 124 (1938)) beschriebene Photoplethysmographie (PPG).In addition, a number of other devices have been used in recent years non-invasive detection of dermal blood perfusion has been developed. Here are in particular devices for screening measurement methods, for transcutaneous, functional To name studies of venous and / or arterial hemodynamics. Among those Measuring methods implemented in devices also include those from A. B. Hertzman in "The blood supply of various skin areas as estimated by the photoelectric plethysmograph " (Amer. J. Physiol. 124 (1938)) described photoplethysmography (PPG).

Ferner ist die PPG an den Akren zur Quantifizierung der arteriellen Blutvolumenpulse und der Endstrombahnoszillationen einsetzbar. Dies wird beispielsweise von V. Blazek und U. Schultz-Ehrenburg in "Quantitative Photoplethysmography - Basic facts and ex aminations tests for evaluating peripheral vascular functions" (VDI Verlag, Düsseldorf, Fortschritt-Berichte, Reihe 20, Nr. 192, 1996) beschrieben.Furthermore, the PPG is on the acra to quantify the arterial blood volume pulses and the final current path oscillations can be used. This is for example by V. Blazek and U. Schultz-Ehrenburg in "Quantitative Photoplethysmography - Basic facts and ex aminations tests for evaluating peripheral vascular functions "(VDI Verlag, Düsseldorf, Progress Reports, Series 20, No. 192, 1996).

Der PPG-Technik liegt die Tatsache zu Grunde, daß Licht im nahen Infrarotbereich um 800 nm von Hämoglobin bzw. von Blut wesentlich stärker als von Gewebe absorbiert wird. Da eine Gefäßerweiterung immer mit einer Zunahme des Blutvolumens verbun den ist, vergrößert sich zwangsläufig auch das Absorptionsvolumen. Sendet man nun energiearmes Infrarotlicht in das Gewebe, so wird ein Detektor in der Nähe der Licht einkopplung mit Zunahme des Blutvolumens im Meßareal weniger Licht empfangen.The PPG technology is based on the fact that light is in the near infrared range 800 nm of hemoglobin or blood is absorbed much more strongly than tissue becomes. Because vasodilation always involves an increase in blood volume that is, the absorption volume inevitably increases. One sends now low energy infrared light into the tissue, so a detector is near the light coupling with increasing blood volume in the measuring area receive less light.

Überwiegend werden bei der Durchführung der bekannten Methode der quantitativen PPG einkanalige Vorrichtungen verwendet.Mainly in the implementation of the known method of quantitative PPG single channel devices are used.

Die gegenwärtigen klinischen Erfahrungen mit einkanaligen quantitativen Photoplethys mographen (D-PPG-Gerät) belegen die Wertigkeit der Methode bei der punktförmigen Registrierung integraler, zeitabhängiger Variationen der Hautdurchblutung. Neueste Erkenntnisse zeigen aber auch, daß von einer lokal durchaus unterschiedlichen Perfu sion auszugehen ist und diese ortsaufgelösten Variationen nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht erfaßbar sind.Current clinical experience with single-channel quantitative photoplethys Mographs (D-PPG device) prove the value of the method in the punctiform Registration of integral, time-dependent variations in skin circulation. Latest Findings also show, however, that from a locally quite different perfume sion and these spatially resolved variations according to the current one The prior art cannot be detected.

Die klassische (aktive) Infrarot-Photographie, die H. Haxthausen in "Infra-red photo graphy of subcutaneous veins: demonstration of concealed varices in ulcer and ecze ma of the leg" (Brit. L. Dermatol. 45 (1933)) beschreibt, ebenso wie die von E. D. Coo ke und M. F. Pilcher in "Thermography in diagnosis of deep venous thrombosis" (Brit. Med. J. 523 (1973)) erwähnte (passive) Thermographie und die von G. E. Nilsson, A. Jakobsson und K. Wardell entwickelte Laser-Doppler-Perfusionstechnik, die in "Tissue perfusion monitoring and imaging by coherent light scattering" (SPIE Proceedings, Vol. 1524 (1991)) dargelegt ist, erlauben zwar eine statische Visualisierung der hautnahen Gefäßnetze oder der Blutflußverteilung, eine funktionelle, spatiale und zeitliche Auflö sung im Sinne eines hämodynamischen Mappings ist jedoch nicht möglich.The classic (active) infrared photography, which H. Haxthausen in "Infra-red photo graph of subcutaneous veins: demonstration of concealed varices in ulcer and ecze ma of the leg "(Brit. L. Dermatol. 45 (1933)), as well as that of E. D. Coo ke and M. F. Pilcher in "Thermography in diagnosis of deep venous thrombosis" (Brit. Med. J. 523 (1973)) mentioned (passive) thermography and that of G. E. Nilsson, A. Jakobsson and K. Wardell developed laser Doppler perfusion technology which is described in "Tissue perfusion monitoring and imaging by coherent light scattering "(SPIE Proceedings, Vol. 1524 (1991)), allow a static visualization of the skin up close Vascular networks or blood flow distribution, a functional, spatial and temporal resolution Solution in the sense of a hemodynamic mapping is not possible.

Die weiterentwickelte PPG-Methode, die auf einem mehrkanaligen Verfahren unter Verwendung des quantitativen photoplethysmographischen Prinzips (D-PPG Geräte) beruht, erlaubt es zwar, segmentale und kontralaterale Simultanmessungen durchzu führen, eine hämodynamische Ortsauflösung im Sinne eines funktionellen PPG-Map pings ist aber auch mit diesen Systemen nicht gegeben.The advanced PPG method based on a multi-channel process Use of the quantitative photoplethysmographic principle (D-PPG devices) based, it allows segmental and contralateral simultaneous measurements to be carried out perform a hemodynamic spatial resolution in the sense of a functional PPG map However, there is no pings with these systems either.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß sie die Erfassung der dermalen (venösen und/oder arteriellen) Blutperfusion in menschlichen Extremitäten berührungslos, orts- und zeitaufgelöst, kostensparend und klinisch relevant bei einfacher Handhabung erlaubt.It is the object of the invention, a device according to the preamble of the patent Claim 1 to be further developed such that it detects the dermal (venous and / or arterial) blood perfusion in human extremities without contact, location and time-resolved, cost-saving and clinically relevant with simple handling allowed.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekennzeich net. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der folgenden Ansprüche.An inventive solution to this problem is characterized in claim 1 net. Further developments of the invention are the subject of the following claims.

Es wird von einer Vorrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der dermalen Blutperfusion in menschlichen Extremitäten ausgegangen, bei der das Licht wenigstens einer Licht quelle ein Meßareal beaufschlagt. Das aus dem Meßareal kommende Licht wird von einem Lichtdetektorsystem empfangen. Die Ausgangssignale des Lichtdetektorsy stems liegen an einer Steuer- und Auswerteeinheit an.It is used by a device for non-invasive detection of dermal blood perfusion originated in human extremities where the light has at least one light source applied to a measuring area. The light coming from the measuring area is from received a light detector system. The output signals of the light detector stems are connected to a control and evaluation unit.

Erfindungsgemäß ist ein optisches System vorgesehen, das den Bereich des Meßa reals auf das Lichtdetektorsystem abbildet. Das Lichtdetektorsystem erfaßt das reflek tierte Licht räumlich und zeitlich aufgelöst. Diese erfindungsgemäße Vorgehensweise steht im Gegensatz zum Stand der Technik, bei der sowohl die Lichtsender als auch die Lichtempfänger mehr oder weniger direkt auf die Haut aufgesetzt werden.According to the invention, an optical system is provided which covers the area of the meas reals on the light detector system. The light detector system detects the reflec light, spatially and temporally resolved. This procedure according to the invention stands in contrast to the prior art, in which both the light transmitter and the light receivers are placed more or less directly on the skin.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht damit ein berührungsloses, funktionelles PPG-Mapping, also eine orts- und zeitaufgelöste Darstellung der Blutvolumenschwan kungen in der Haut bei ruhenden oder übenden Patienten.The device according to the invention thus enables a non-contact, functional PPG mapping, i.e. a location and time-resolved representation of the blood volume swan effects in the skin of resting or practicing patients.

Dabei ist es vorteilhaft, die Reflexion an der Gewebeoberfläche zu unterdrücken, da diese Signalanteile keine Information über den dermalen Blutperfusionszustand tragen. Darüber hinaus ist es schwierig, den von den Blutgefäßen reflektierten Signalanteil von dem Signalanteil zu trennen, der durch Reflexion an der Hautoberfläche erzeugt wird.It is advantageous to suppress the reflection on the tissue surface because these signal components carry no information about the dermal blood perfusion state. In addition, it is difficult to determine the portion of the signal reflected by the blood vessels to separate the signal component that is generated by reflection on the skin surface.

Die klinische Relevanz dieses neuartigen, völlig belastungs- und komplikationsfreien, funktionellen Imagingverfahrens in der medizinischen Diagnostik soll mit folgenden An wendungsmöglichkeiten beispielhaft verdeutlicht werden:
The clinical relevance of this novel, completely stress-free and complication-free, functional imaging method in medical diagnostics is to be exemplified with the following application options:

- Anatomisch-topographische on-line Darstellung der kutanen Gefäßnetze,- Anatomical-topographical on-line representation of the cutaneous vascular networks,
- Darstellung der hautnahen Gefäßmißbildungen,- representation of the vascular malformations close to the skin,
- On-line-Navigationshilfe für sichere Einführung der Punktionsnadel, z. B. während der Injektion gefährlicher Therapeutika (Sklerotherapie, Chemothe rapie) oder bei der Einführung von Kathetern,- On-line navigation aid for safe insertion of the puncture needle, e.g. B. during the injection of dangerous therapeutic agents (sclerotherapy, chemothe therapy) or when introducing catheters,
- Berührungslose Erfassung und Visualisierung der peripheren venösen und ar teriellen Hämodynamik, je nach Wunsch ortsaufgelöst oder integral (ortsgemit telt).- Non-contact detection and visualization of peripheral venous and ar terial hemodynamics, either locally resolved or integral (according to location telt).

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben, auf die im Übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.The invention is hereinafter without limitation of the general inventions thanks based on exemplary embodiments with reference to the drawings described by way of example, to the rest regarding the revelation of all in the text details according to the invention not explained in detail are expressly referred to.

Es zeigen: Show it:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung, Fig. 1 shows the basic structure of the device,

Fig. 2 Funktionsweise einer "intelligenten" Maske, die nur mehrfach gestreute blutvolu menkodierte Photonen zur Detektion zuläßt, Fig. 2 operation of a "smart" mask, which allows only multiple scattered blutvolu menkodierte photons for detection,

Fig. 3 Beispiel der Visualisierung der Unterschenkel-Hautgefäße mit unselektierten und selektierten Licht, FIG. 3, the visualization of the lower leg skin vessels with unselected and selected light,

Fig. 4 Beispiel der funktionellen Visualisierung der Hautgefäße am Unterschenkel mit berechneter Dynamik der Blutvolumenentleerung in Arealen a, b und c während des sog. Venenverschluß-Tests, Fig. 4 example of the functional visualization of the skin vessels in the lower leg with calculated dynamics of the blood volume emptying in areas a, b and c during the so-called. Vein occlusion tests

Fig. 5 Beispiel der funktionellen Visualisierung der Hautgefäße des Unterschenkels mit berechneter Blutvolumendynamik im Areal d während des sog. Muskelpumpen- Tests. Fig. 5 example of the functional visualization of the vessels of the skin of the lower leg with calculated blood volume dynamic complex d tests during the so-called. Muskelpumpen-.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Meßanord nung. Das Licht einer vorzugsweise polychromatischen Lampe (1) wird mit einem IR-A-Fil ter (2) selektiert und beleuchtet über eine "intelligente" Maske (3), die als Bildfeld blende dient, die untersuchte Körperoberfläche (KO). Wird zu Beleuchtungszwecken eine selektive Lichtquelle verwendet (z. B. Laser- oder LED-Arrays gleicher oder ver schiedener Emissionswellenlänge), kann auf die Verwendung des Filters (2) verzichtet werden. Der Bildsensor (5), vorzugsweise eine extrem rauscharme CCD-Kamera (S/N < 80 dB), visualisiert die durch Blutvolumenschwankungen kodierte Reflexions- oder Transmissionsunterschiede im abgebildeten Bereich der untersuchten Körperoberflä che. Die Unterdrückung von Störungen durch Fremdlicht und eine bessere Kontrast darstellung der blutgefüllten Gewebsstrukturen wird durch einen schmalbandigen, vor zugsweise in seinem Durchlaßbereich elektronisch durchstimmbaren optischen Filter (4) vor dem Bildsensor erreicht. Das Videosignal des Bildsensors (5) wird von einer Auswerteeinheit (6) (in der Regel ein PC mit Videokarte zur Digitalisierung des Bildsi gnals und entsprechendem Imagingsoftware) analysiert, visualisiert und archiviert. Fig. 1 shows schematically an embodiment of the measurement arrangement according to the invention. The light of a preferably polychromatic lamp ( 1 ) is selected with an IR-A filter ( 2 ) and illuminated via an "intelligent" mask ( 3 ), which serves as an image field diaphragm, the examined body surface (KO). If a selective light source is used for lighting purposes (e.g. laser or LED arrays of the same or different emission wavelengths), the filter ( 2 ) can be omitted. The image sensor ( 5 ), preferably an extremely low-noise CCD camera (S / N <80 dB), visualizes the reflection or transmission differences coded by blood volume fluctuations in the imaged area of the examined body surface. The suppression of interference by extraneous light and a better contrast display of the blood-filled tissue structures is achieved by a narrow-band optical filter ( 4 ) in front of the image sensor, which can preferably be electronically tuned in its passband. The video signal of the image sensor ( 5 ) is analyzed, visualized and archived by an evaluation unit ( 6 ) (usually a PC with a video card for digitizing the image signal and corresponding imaging software).

Die Funktionsweise einer "intelligenten" Maske (3) verdeutlicht die Fig. 2. Diese Maske bewirkt vorzugsweise eine schachbrettartige Beleuchtung des Objektes. Das Meßlicht (L1) beleuchtet die Hautoberfläche (HA) nur in den Quadraten (3b). Die Photonen drin gen in die Haut ein, illuminieren nach Mehrfachstreuung die Gefäßnetze und treten schließlich, in aller Regel räumlich versetzt, teilweise wieder aus der Hautoberfläche aus. Nur aus den nicht direkt beleuchteten Quadraten (3c) werden die mehrfach gestreu ten, blutvolumenkodierten Photonen (L2) zur Detektion zugelassen. Die lichtun durchlässigen Abschattungsquadrate (3a), die sich zwischen (3b) und (3c) befinden, bilden eine Sperre für die oberflächennah zurückgestreuten Photonen, die noch keine Meßinformation mittragen, da sie das blutvolumengefüllte Gefäßbett noch nicht transil luminiert haben. Durch die Größe der Sperrquadrate (3a) läßt sich somit die Eindring tiefe bzw. Fluglänge der zum Meßsignal beitragenden Photonen einstellen. Die "intell igente" Maske kann ausgebildet sein z. B. als ein nichtreziprokes optisches Bauele ment (Prisma mit schachbrettartiger Spiegelstruktur in der Diagonale), als ein elektro nisch steuerbares LCD-Filter oder als eine "virtuelle" Maske, die auf der Bildauswerte seite softwaremäßig realisiert wird. The operation of an "intelligent" mask ( 3 ) is illustrated in FIG. 2. This mask preferably brings about a checkerboard-like illumination of the object. The measuring light (L1) illuminates the skin surface (HA) only in the squares ( 3 b). The photons penetrate into the skin, illuminate the vascular networks after multiple scattering and finally, usually spatially offset, sometimes emerge again from the skin surface. The multiply scattered, blood volume-coded photons (L2) are only permitted for detection from the non-directly illuminated squares ( 3 c). The translucent shading squares ( 3 a), which are located between ( 3 b) and ( 3 c), form a barrier for the near-surface scattered photons, which do not yet carry any measurement information, since they have not yet transiluminated the blood volume-filled vessel bed. The size of the blocking squares ( 3 a) thus allows the penetration depth or flight length of the photons contributing to the measurement signal to be set. The "intelligent" mask can be designed, for. B. as a non-reciprocal optical component (prism with checkerboard-like mirror structure in the diagonal), as an electronically controllable LCD filter or as a "virtual" mask, which is implemented on the image evaluation side by software.

Ein Beispiel der (zunächst statischen) Visualisierung der Hautgefäße an der Innenseite des Unterschenkels zeigt die Fig. 3. Links ist eine konventionelle Aufnahme mit unse lektierten Licht im sichtbaren Bereich der Strahlung, daneben eine Aufnahme mit selek tiertem IR-A-Licht. Der Unterschied in der Gefäßdarstellung ist offensichtlich und zeigt, wie allein durch eine sinnvolle Beleuchtungsstrategie der Kontrast zwischen Blutgefä ßen und Gewebe verbessert werden kann. Der Untersucher erhält so eine unkompli zierte und kostengünstige Meßvorrichtung, die die Erkennung und Verfolgung von oberflächennahen Gefäßstrukturen auf einfache Art und Weise möglich macht.An example of the (initially static) visualization of the skin vessels on the inside of the lower leg is shown in FIG. 3. On the left is a conventional image with unselected light in the visible region of the radiation, alongside an image with selected IR-A light. The difference in the vascular display is obvious and shows how the contrast between blood vessels and tissue can be improved by a sensible lighting strategy alone. The examiner thus receives an uncomplicated and inexpensive measuring device that makes the detection and tracking of near-surface vascular structures possible in a simple manner.

Der wesentliche Vorzug der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt jedoch in der Mög lichkeit, hämodynamische Studien ortsaufgelöst und berührungslos durchführen zu können. Dazu werden Bildserien des gleichen Hautareals bei ruhendem Patienten oder bei gezielter Patientenübung aufgenommen, aus denen das dynamische Verhalten der Hautperfusion (Blutvolumenänderung) errechnet werden kann. In den Fig. 4 und 5 sind zwei Beispiele hierzu aufgeführt.However, the essential advantage of the device according to the invention lies in the possibility of being able to carry out hemodynamic studies in a spatially resolved and contactless manner. To this end, series of images of the same area of the skin are recorded when the patient is at rest or during a targeted patient exercise, from which the dynamic behavior of the skin perfusion (change in blood volume) can be calculated. In FIGS. 4 and 5 are two examples for this purpose.

Fig. 4. demonstriert die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Dia gnostik der venösen Thrombosen in den unteren Extremitäten. Die Aufnahme links zeigt die Unterschenkel-Innenseite (dicht unterhalb des Knies) eines liegenden Patien ten mit Krampfadern. Das Bein ist leicht angehoben, der Unterschenkel dann horizontal gelagert. Mit einer Staumanschette (erkennbar links unten) wird gezielt das Abfließen des Venenblutes aus der Extremität vorzugsweise für 2 Minuten gehindert, so daß sich die künstlich gestauten Unterschenkel-Venen sich voll blutgefüllt darstellen. Die erste, hier gezeigte Aufnahme der Bildserie, fand 6 Sekunden vor Stauende statt. Das ge samte Meßgebiet wurde in 100 Areale aufgeteilt. 100 "virtuelle Sensoren" erfassen die mittlere Helligkeitsänderung in jedem Areal, die wiederum von der Blutvolumenkinetik abhängig ist. Die errechnete Dynamik des Blutabstroms aus dem gestauten Unter schenkel ist auf der rechten Seite der Fig. 4 dargestellt. Dargestellt ist die mittlere Si gnaländerung in den drei ausgesuchten Hautarealen (a), (b) und (c) in einem Zeitab schnitt von 50 Sekunden. Analog zu den aus der PPG-Technik bekannten, jedoch nicht ortsaufgelösten Registrierungen, steigt das Meßsignal mit Abnahme des Blutvolumens im Meßareal. In allen drei Arealen war der gestaute Venenpool innerhalb von 4 bis 6 Sekunden nach Stauende aus der Extremität abgeflossen, einem physiologischen Be fund entsprechend. Dennoch sind lokale Unterschiede der Entleerungskinetik vorhan den. Bei hämodynamisch wirksamen Abstromhinternissen (venöse Thrombosen oder Abstromhindernisse anderer Genese), erfolgt die Beinentleerung wesentlich langsamer (s. z. B. in: V. Blazek und U, Schultz-Ehrenburg in "Quantitative Photoplethysmography- Basic facts and examinations tests for evaluating peripheral vascular functions", VDI Verlag, Düsseldorf, Fortschritt-Berichte, Reihe 20, Nr. 192, 1996). Daher kann die orts aufgelöste Messung der Entleerungsdynamik erstmals Auskunft über lokale Folgen solcher Hindernisse geben. Fig. 4. demonstrates the use of the device according to the invention in the diagnosis of venous thrombosis in the lower extremities. The image on the left shows the inside of the lower leg (just below the knee) of a patient lying down with varicose veins. The leg is slightly raised, the lower leg is then stored horizontally. A tourniquet (recognizable at the bottom left) deliberately prevents the venous blood from flowing out of the extremity, preferably for 2 minutes, so that the artificially congested lower leg veins are completely blood-filled. The first picture series shown here was taken 6 seconds before the end of the traffic jam. The entire measurement area was divided into 100 areas. 100 "virtual sensors" record the average change in brightness in each area, which in turn depends on the blood volume kinetics. The calculated dynamics of the blood outflow from the stowed lower leg is shown on the right side of FIG. 4. The average signal change in the three selected skin areas (a), (b) and (c) is shown over a period of 50 seconds. Analogous to the registrations known from PPG technology, but not spatially resolved, the measurement signal increases with the decrease in the blood volume in the measurement area. In all three areas, the vein pool had drained from the extremity within 4 to 6 seconds after the end of the congestion, in accordance with a physiological finding. Nevertheless, there are local differences in the emptying kinetics. In the case of haemodynamically effective outflow obstacles (venous thromboses or outflow obstacles of another genesis), leg emptying takes place much more slowly (see, for example, in: V. Blazek and U, Schultz-Ehrenburg in "Quantitative Photoplethysmography- Basic facts and examinations tests for evaluating peripheral vascular functions", VDI Verlag, Düsseldorf, Progress Reports, Series 20, No. 192, 1996). Therefore, for the first time, the spatially resolved measurement of the emptying dynamics can provide information about the local consequences of such obstacles.

Fig. 5 zeigt schließlich die Änderung der Hautperfusion im ausgewählten Bereich (e) der Wade während des sog. Muskelpumpen-Tests. Auch dieser klassische PPG-Unter suchungstest ist in dem o. e. Buch beschrieben. Infolge der Muskelbetätigung (rhythmische Flexionen im Sprunggelenk sitzend) innerhalb der ersten etwa 20 Sekun den wird das venöse Blut aus dem Meßareal ausgeschöpft, so daß das Meßsignal steigt. In der nun folgenden Phase der Muskelruhe füllt sich nun das Bein langsam wieder mit Blut auf (bei Venengesunden nur über den arteriellen Einstrom in die Extre mität). Bei Venenkranken ist der Wiederauffüll-Vorgang beschleunigt. Die in der Fig. 5 rechts dargestellte "raw data"-Auffüllkinetik läßt bereits eine eindeutige Interpretation und Quantifizierung dieses Vorgangs zu (die Abweichungen von dem idealen exponen tiellen Kurvenverlauf "expo fit" sind in diesem Fall gering), verdeutlicht aber auch, daß Bewegungsartefakte (die Wade war im Blickfeld der CCD-Kamera (5) nicht fixiert) u. U. die Diagnose erschweren könnten. Eine softwaremäßige Korrektur dieser Artefakte kann hier eine Abhilfe schaffen.Finally, FIG. 5 shows the change in skin perfusion in the selected area (s) of the calf during the so-called muscle pump test. This classic PPG examination test is also described in the above book. As a result of muscle activity (rhythmic flexion sitting in the ankle) within the first about 20 seconds, the venous blood is exhausted from the measurement area, so that the measurement signal increases. In the following phase of muscle rest, the leg slowly fills up with blood again (in healthy veins only by means of the arterial inflow into the extremes). The refilling process is accelerated in venous patients. The "raw data" fill-in kinetics shown on the right in FIG. 5 already allows a clear interpretation and quantification of this process (the deviations from the ideal exponential curve shape "expo fit" are small in this case), but also clarifies that movement artifacts (the calf was not fixed in the field of view of the CCD camera ( 5 )) u. U. could make the diagnosis more difficult. A software correction of these artifacts can help here.

Soll die Vorrichtung zur Erfassung der Blutperfusion z. B. an den Fingern im Transmis sionsmodus oder für andere Aufgaben erfolgen, dann kann eine vollflächige Beleuch tung (ohne Maske (3)) beibehalten werden. Soll als Bildsensor ein mechanischer Scan ner verwendet werden, dann kann die Beleuchtung vorzugsweise ringförmig um die Detektionsstelle erfolgen, wobei sich Beleuchtung und Detektionsstelle synchron über der Hautoberfläche befinden müssen. Für die funktionelle Bildauswertung können die Helligkeitsunterschiede einzelner Pixel oder programmierter Pixelverbände herangezo gen werden. Analog zu der klassischen PPG-Technik können aus der Kinetik der orts aufgelösten Helligkeitsschwankungen funktionelle Bewertungsparameter der venösen (venöse Auffüllzeit, venöser Abstrom) oder arteriellen Hämodynamik (Formparameter des herzsynchronen Blutvolumenpulses) gewonnen werden. Nach der Durchführung der Bildauswertung kann somit erstmals z. B. die ortsaufgelöste Durchblutungsqualität der Handinnenfläche in Echtzeit visualisiert werden, die sich beispielsweise periodisch mit der Herzfrequenz ändert. Dies kann wiederum zur funktionellen Diagnostik der peri pheren arteriellen Gefäßerkrankungen resp. zur Lokalisation der Gewebsgebiete mit Perfusionsdefizit herangezogen werden.If the device for detecting blood perfusion z. B. on the fingers in transmission mode or for other tasks, then a full-area lighting device (without mask ( 3 )) can be maintained. If a mechanical scan ner is to be used as the image sensor, then the illumination can preferably take place in a ring around the detection point, the illumination and detection point having to be synchronously above the skin surface. The differences in brightness of individual pixels or programmed pixel groups can be used for functional image evaluation. Analogous to the classic PPG technique, functional evaluation parameters of the venous (venous filling time, venous outflow) or arterial hemodynamics (shape parameters of the heart-synchronous blood volume pulse) can be obtained from the kinetics of the spatially resolved fluctuations in brightness. After the image evaluation has been carried out, z. B. the spatially resolved blood flow quality of the palm of the hand can be visualized in real time, which changes, for example, periodically with the heart rate. This, in turn, can be used for the functional diagnosis of peripheral arterial vascular diseases, respectively. to localize the tissue areas with perfusion deficit.

Die erforderliche Zeitauflösung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich natur gemäß aus der Geschwindigkeit der Blutvolumenänderungen und liegt vorzugsweise bei 1 s für venöse und bei 0.1 s für arterielle Anwendungen. Die Ortsauflösung variiert je nach medizinischer Fragestellung und liegt typisch bei etwa 100 Arealen pro Aufnah me, maximal bei der vollen Auflösung des verwendeten Sensors (5).The required time resolution of the device according to the invention naturally results from the speed of the changes in blood volume and is preferably 1 s for venous and 0.1 s for arterial applications. The spatial resolution varies depending on the medical question and is typically around 100 areas per exposure, maximum at the full resolution of the sensor used ( 5 ).

Bei gleichzeitiger Beleuchtung mit zwei oder mehreren selektiven Lichtquellen oder bei Beleuchtung mit polychromatischem Licht und Selektion der rückgestreuten Photonen (L2) in zwei oder mehr sinnvoll gewählten Wellenlängengebieten (vorzugsweise mit Hil fe eines elektronisch durchstimmbaren Filters (4) z. B. bei Wellenlängen um 900 nm und 650 nm) ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstmals auch ein Sauerstoffgehalt- oder Glukosegehalt-Mapping des Gewebes bzw. des im Gewebe enthaltenen Blutanteils möglich.With simultaneous illumination with two or more selective light sources or with illumination with polychromatic light and selection of the backscattered photons (L2) in two or more sensibly chosen wavelength ranges (preferably with the help of an electronically tunable filter ( 4 ) e.g. at wavelengths around 900 nm and 650 nm), the device according to the invention for the first time also enables oxygen content or glucose content mapping of the tissue or of the blood fraction contained in the tissue.

Die Hauptanwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Vorrichtung, eines PPG-Ima gers, liegen in der phlebologischen und anigologischen Screeningdiagnostik der peripheren Hämodynamik, in der Dermatoonkologie (Blutvolumenkodierte Visualisie rung von Tumoren), der Allergologie (Blutperfusion bei endogenen Ekzemen, Psoriasis), der Verbrennungs- und Zahnmedizin (Vitalitätskontrolle der implantierten Haut oder der Schleimhäute) und der Quantifizierung der Wundheilung.The main areas of application of the device according to the invention, a PPG-Ima gers, are in the phlebological and anigological screening diagnostics of the peripheral hemodynamics, in dermatooncology (blood volume-coded visualization tumor), allergology (blood perfusion in endogenous eczema, psoriasis), the combustion and dentistry (vitality control of the implanted skin or Mucous membranes) and quantification of wound healing.

Claims

1. Vorrichtung zur nichtinvasiven Erfassung der dermalen Blutperfusion in einem Meß areal an menschlichen Extremitäten, mit

- mindestens einer Lichtquelle, deren Licht das Meßareal beaufschlagt und von dem Meßareal und den darunterliegenden Schichten reflektiert wird,
- einem Lichtdetektorsystem, das das reflektierte Licht empfängt, und
- einer Steuer- und Auswerteeinheit, an der die Ausgangssignale des Lichtdetektorsystems anliegen

dadurch gekennzeichnet, daß ein Abbildungssystem vorgesehen ist, das die Meß strahlen in ihrer räumlichen und spektralen Aufteilung gezielt selektiert, den Bereich des Meßareals auf das Lichtdetektorsystem abbildet, das dort auftreffende Licht räum lich und zeitlich aufgelöst erfaßt, die Bildsignale analysiert, Blutvolumenschwankungen erkennt und visualisiert.1. Device for non-invasive detection of dermal blood perfusion in a measuring area on human extremities, with

at least one light source, the light of which acts on the measurement area and is reflected by the measurement area and the layers below it,
- a light detector system that receives the reflected light, and
- A control and evaluation unit to which the output signals of the light detector system are applied

characterized in that an imaging system is provided which selectively selects the measuring beams in their spatial and spectral division, maps the area of the measuring area to the light detection system, detects the light incident there spatially and temporally resolved, analyzes the image signals, recognizes and visualizes fluctuations in blood volume .

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die eine selektive Beleuchtung des Meßareals und/oder eine selektive Auswertung des von dem Meßareal kommen den Lichts erlauben.2. Device according to claim 1, characterized in that means are provided which provide selective lighting of the measuring area and / or a selective evaluation of the coming from the measuring area allow the light.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die selektive Beleuchtung lediglich ein Teilbe reich des Meßareals beleuchtet wird, und daß durch die selektive Auswertung lediglich das aus dem nicht beleuchteten Teil kommende Licht erfaßt und insbesondere ausge wertet wird.3. Device according to claim 2, characterized in that by the selective lighting only a part range of the measuring area is illuminated, and that only by the selective evaluation the light coming from the non-illuminated part is detected and in particular out is evaluated.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beleuchteten und die nicht beleuchteten Teile alter nierend und insbesondere in Art der Felder eines Schachbretts angeordnet sind.4. The device according to claim 3, characterized in that the illuminated and the non-illuminated parts of old nating and in particular are arranged in the manner of the fields of a chessboard.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel wenigstens eine Blende im Strahlengang der Lichtquelle aufweisen.5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the means at least one aperture in the beam path of the Have light source.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel wenigstens eine Bildfeldblende im Strah lengang vor dem Lichtdetektorsystem aufweisen.6. Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the means at least one field diaphragm in the beam Have lengang in front of the light detector system.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildfeldblende eine mechanische Blende, ein LCD-Shut ter oder dgl. ist.7. The device according to claim 6, characterized in that the field diaphragm is a mechanical diaphragm, an LCD shut ter or the like.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Steuereinheit die Bildfeldblende elektronisch bildet. 8. The device according to claim 6, characterized in that the evaluation and control unit the field diaphragm electronically educates.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildfeldblende softwaremäßig realisiert wird,9. The device according to claim 6, characterized in that the image field diaphragm is implemented by software,

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mindestens eine polychromatische Lichtquelle, ein IR-Laser oder eine Leuchtdiode (LED) ist.10. The device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the light source is at least one polychromatic Light source, an IR laser or a light emitting diode (LED).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtquelle ein IR-A-durchlässiger Filter nachge schaltet ist.11. The device according to claim 10, characterized in that the light source is followed by an IR-A transparent filter is switched.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die in mindestens zwei Spek tralbereichen gleichzeitig eine selektive Beleuchtung des Meßareals und/oder eine se lektive Auswertung des von dem Meßareal kommenden Lichts erlauben.12. The device according to one of claims 1 to 11, characterized in that means are provided which in at least two spec tral areas a selective lighting of the measurement area and / or a se allow for a selective evaluation of the light coming from the measurement area.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die in mindestens zwei Spek tralbereichen nacheinander eine selektive Beleuchtung des Meßareals und/oder eine selektive Auswertung des von dem Meßareal kommenden Lichts erlauben.13. The device according to one of claims 1 to 11, characterized in that means are provided which in at least two spec tral areas one after the other selective illumination of the measurement area and / or allow selective evaluation of the light coming from the measurement area.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung die Bestimmung der orts- und zeitauf gelösten Sauerstoffsättigung des Blutes erlaubt.14. Device according to one of claims 12 and 13, characterized in that the device determines the location and time dissolved oxygen saturation of the blood allowed.