DE2606675C3 - Anordnung zur spektralanalytischen Untersuchung des Remissionsvermögens einer Probe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Anordnungen können in vielen Bereichen der Medizin (Untersuchung der Lichteinwirkung auf Haut) und der Technik (Farbauswertung) eingesetzt werden und sind z. B. aus dem Prospekt Nr. W 50-662/III-d der Firma Zeiss vom Juli 1969 bekannt.

Für die Wirkungsabläufe beim Auftreten optischer Strahlung (UV-, sichtbares Licht oder nahes Infrarot) auf Materie sind verschiedene Eigenschaften dieser Materie von Bedeutung. An streuenden Objekten tritt eine diffuse Reflexion - auch Remission genannt auf. Die reflektierten Strahlungsanteile, die verschiedene Richtungen besitzen, müssen durch eine spezielle Meßanordnung im Raumwinkel 2nsr erfaßt werden. Dies geschieht durch eine strahlungsintegrierende photometrisehe Kugel (JACOUEZ, J. A. and

KUPPENHEIM, H.F.: Theory of the Integrating Sphere. J.Opt.Soc. Am. 45, 46Ü [1955]; DIN 5033, Farbmessung Bl. 7; HELBIG, E.: Grundlagen der Lichtmeßtechnik. Geest & Portig, Leipzig 1972).

Bei den bisher bekannten Anwendungen der photomeirischen Kugel war diese ein starrer, nicht beweglicher Teil der Meßanordnung. Zur Messung mußte man daher das zu untersuchende Objekt unter Einhaltung gewisser Bedingungen an der photometrischen Kugel befestigen. Bei Remissionsuntersuchungen an biologischen Objekten mußte man bis jetzt oft die Probe, z.B. Hautpartie einer Leiche, dem gesamten Objekt entnehmen (LINS, G.: Die Remissionsanalyse zur farbigen Charakterisierung der Leichenhaut. Beitr. gerichtl. Med., 24 [1968], 162-166; LINS, G., KUTSCHERA, J.: die farbmetrische Bewertung der Grünfäule der Leicbenhaut im Rahmen der programmierten Farbwertintegration, Zeitschrift f. Rechismedizin, 75 [1974], 201-212). Dadurch war die Anwendungsmöglichkeit der Meßanordnung stark eingeschränkt. Außerdem treten dabei andere unerwünschte Effekte (Flüssigkeitsverlust im Gewebe usw.) auf. Zu Eichzwecken wurde entweder die Probe durch einen Standard (Vergleichsnormal mit bekanntem Reflexionsfaktor) ersetzt, oder an die photometrische Kugel wurden getrennte Öffnungen für Probe und Standard angebracht, wobei der beleuchtende Strahl abwechselnd auf die Probe oder den Standard gerichtet wurde. Die Umschaltung des beleuchtenden Strahles zwischen Probe und Standard erfolgte bei einigen Anordnungen periodisch (LOFF, H.: Untersuchungen über die Genauigkeit des Zeiss-Farbmeßgerätes DMC 25. Tagungsbericht Internationale Farbtagung COLOR 69, Stockholm; LOFF, H.: Farbmessung mit optisch-elektrischen Hilfsmitteln. Elektrische Ausrüstung, Vogel-Verlag, 13, 5 [1972]). Bei periodischer Umschaltung des beleuchtenden Strahles zwischen Probe und Standard ist aber der die Empfindlichkeit steigernde Einsatz eines Lock-in-Verstärkers nicht möglich.

Aus der DE-OS 1572831 ist bereits eine Anordnung bekannt, die jedoch mit polarisiertem Licht arbeitet. Dadurch ist der Einsatz von Lichtleitern nicht möglich, weil diese die Polarisation zunichte machen.

Aus DE-OS 2 101 818 ist eine Anordnung bekannt, deren Meßkopf jedoch keine integrierende Wirkung hat.

Die photometrische Kugel nach DE-OS 2335 842 dient lediglich in bekannter Weise zur Lichtmischung und -verteilung, nicht aber als Meßkopf.

Aus dem Aufsatz in Elektronik, Heft 6,1966, Seite 167-168, geht hervor, daß zwei Teilstrahlen mit einem Chopper mit zwei verschiedenen Lochkränzen unterschiedlich moduliert werden können.

Aus der DE-PS 1107417 ist der Einsatz von Lock-in-Verstärkern im Zusammenhang mit der Ausrichtung geodätischer Instrumente auf ein anzuvisierendes Objekt bekannt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Anordnung der eingangs genannten Art in ihren Einsatzmöglichkeiten flexibler zu gestalten und gleichzeitig bezüglich der Meßempfindlichkeit zu verbessern. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Maßnahmen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch den Einsatz flexibler Lichtleiter wurde es möglich, die photometrische Kugel von dem starren Meßaufbau zu trennen. Dadurch spielen Art, Form und Abmessungen des Untersuchungsobjektes keine

Rolle. So können z.B. an Menschen in vivo oder in vitro remissionsanalytische Untersuchungen durchgeführt werden.

Probe und Standard werden gleichzeitig beleuchtet, und die von beiden remittierten Strahlungsanteile werden gemeinsam von einem Photo'letektor erfaßt. Nach einer gemeinsamen Vorverstärkung werden Meßsignal (Reflexion von Probe) und Vergleichssignal (Reflexion vom Standard) durch zwei Lock-in-Verstärker voneinander getrennt. Durch die Verwendung von Lo.k-in-Verstärkern wird die Empfindlichkeit erheblich gesteigert.

Durch die Beweglichkeit der photometrischen Kugel, durch die größere. Empfindlichkeit der Meßanordnung und ihre Unempfindlichkeit gegenüber Fremdlicht ist ihr Einsatz auch unter normalen Laborbedingungen, bzw. in einem Operations- oder Sektionsraum möglich. Die Messungen können schnell und ohne größeren Aufwand durchgeführt werden.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das Reflexionsverhalten der menschlichen Haut gegenüber elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren und nahen Infrarot-Gebiet ist in der Medizin von besonderem Interesse. Eine möglichst genaue Kenntnis des Reflexionsvermögens von biologischem Gewebe ist z. B. für die optimale Verwendung der Laserstrahlen in verschiedenen medizinischen Bereichen notwendig.

Aber nicht nur für den Lasereinsatz sind die obengenannten Koeffizienten von Geweben von großrr Bedeutung. Es lassen sich z. B. in der Gerichtsmedizin und Kriminalistik neue Ergebnisse durch Kenntnis des Reflexionsvermögens der Haut erwarten.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Biologische Proben sind im allgemeinen inhomogen, anisotrop und ihre Oberfläche kann bei den verwendeten Lichtwellenlängen nicht als eben angesehen werden. Es tritt eine diffuse Reflexion (auch Remission genannt) auf. Die reflektierten Strahlungsanteile besitzen verschiedene Richtungen und werden durch eine photometrische Kugel im Rauinwinkel 2nsr erfaßt. Abb. 1 zeigt den prinzipiellen Meßaufbau mit schematischer Darstellung der beweglichen, photometrischen Kugel 9 und der Lock-in-Verstärker 16a, 16/;.

Die optische Strahlung einer Lichtquelle 1 wird mit dem Reflektor 2 und dem Kondensor 3 auf einen Monochromator 4 fokussiert. Dieser zerlegt spektral die Strahlung der weißen Lichtquelle 1 und liefert an seinem Ausgang die für die Messung benötigte quasimonochromatische Strahlung einstellbarer Wellenlänge (z. B. von 380 nm bis 1100 nm). Diese Strahlung wird durch einen Strahlungsteiler S in zwei z.B. möglichst gleich große Strahlungsanteile geteilt und diese werden mit einem Chopper 6 jeweils mit verschiedener Frequenz zerhackt. Durch diese Lichtmodulation wird die ganze Anordnung unempfindlich gegen Fremd- und Störlicht und sie ermöglicht die Verwendung empfindlicher Lock-in-Verstärker 16a, b. Diese modulierten Lichtstrahlen werden mittels der Fokussiereinheiten Ta, b in die flexiblen Lichtleiter 8a, b fokus-

siert. Die Endender beiden Lichtleiter 8a, /; sind unter bestimmten Winkeln an der photometrischen Hohlkugel 9 befestigt (Abb. 2a, b, c).

Durch die flexiblen Lichtleiter ist es möglich, ditr photometrische Kugel räumlich von der übrigen Meßanordnung zu trennen, ein Vorteil, der bisher nicht erreichbar war.

Die bewegliche photometrische Kugel besitzt fünf Öffnungen: zwei Offnungen 10, 11 für die einfallenden Strahlen (Lichtleiter 8a, b), eine Öffnung 12 für die Probe 12a. eine Öffnung 13 für den Standard 13a (Vergleichsnormal) und schließlich eine Öffnung 14 für den Photodetektor 14a. Diese Hohlkugel ist innen vollkommen mit einer MgO- oder BaSO₄-Schicht beschichtet. Die Theorie der integrierenden photometrischen Kugel überschreitet den Rahmen dieses Ausführungsbeispiels und muß in der einschlägigen Literatur nachgelesen werden.

Die Messung der spektralen Reflexionsverläufe in Abhängigkeit von der Wellenlänge erfolgt nach der Vergleichsmethode. Der Strahl aus einem der beiden Lichtleiter wird auf die Probe gerichtet, gleichzeitig wird der Strahl aus dem anderen Lichtleiter auf den Standard (MgO oder BaSO₄) fokussiert. Die Reflexion des Standards ist annährend ideal diffus, sehr groß und bekannt. Die von der Probe und die von dem Standard reflektierten Strahlungen werden von dem Photodetektor 14a erfaßt und nach gemeinsamer Vorverstärkung 15 von zwei selektiven Lock-in-Verstärkern 16a, b angezeigt. Quotient dieser beiden Meßwerte ist der gesuchte wellenlängenabhängige Reflexionsfaktor.

Diese Reflexionswerte können entweder für alle eingestellten Wellenlängen dereinfallenden Strahlung direkt am Instrument 17 (Quotientbildung) abgelesen oder zur Weiterverarbeitung einer Datenverarbeitungsanlage übergeben werden.

Zur Überprüfung der Anwendbarkeit der Apparatur mit beweglicher photometrischer Kugel wurden mehrere Messungen durchgeführt.

Die Ergebnisse einer Messung aus dem Bereich der Gerichtsmedizin zeigt Abb. 3. In diesem Bild sind die Reflexionsverläufe von fünl verschiedenen Hautregionen A-Eeines 32jährigen Mannes dargestellt. Todesursache: Hyperglykämisches Koma, Untersuchung fünf Tage pm. Der Reflexionsfaktor steigt von circa 10% bei λ = 400 nm auf 40-50% bei κ = 700-800 nm an und fällt dann langsam zum Infrarot-Bereich ab. Es wurde an Oberarm (Kurve A), Oberschenkel (Kurve B), Rücken (Kurve C), Brust (Kurve D) und Bauch (Kurve E) gemessen. Ausgeprägte Reflexionsminima der Absorptionsbanden von Oyy-Hb (λ = 415, 541, 576 nm) finden sich im Bereich der Totenflecken am Rücken (Kurve C); hier sind auch die größten Differenzen zu nicht im Bereich der Hypostase liegenden Körperregionen feststellbar.

Die Bedeutung von Messungen der hier vorliegenden Art zeigt auch die Abb. 4. Hier war da^r. Meßobjekt die Leiche einer 67 jährigen Frau, die nach mehrfacher Traumatisierung an der Unfallstelle verstarb. Die Messungen wurden vier Tage pm. durchgeführi, die Hautregionen (Kurven A-E) waren die gleichen wie in Abb. 3.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

b) Patentansprüche:

1. Anordnung zur spektralanalytischen Untersuchung des Remissionsvermögens einer Probe mit

a) einer Einrichtung zur Erzeugung einer monochromatischen Strahlung einstellbarer Wellenlänge im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich,

einer photometrischen Kugel, die Ansatzöffnungen für eine Meßprobe sowie eine Standardprobe aufweist, und an derein Photodetektor angebracht ist,

c) einer Strahlteilungseinrichtung zur Erzeugung eines die Meßprobe und eines die Standardprobe beleuchtenden Teilstrahls dadurch gekennzeichnet, daß

d) die Strahlteilungseinrichtung (5) über zwei gleichzeitig jeweils einen der Teilstrahlen führende flexible Lichtleiter (8a, 86) mit der photometrischen Kugel (9) verbunden ist,

e) ein Modulator (6) zur Modulation der auf die Eintrittsenden der beiden Lichtleiter (8a, 86) gerichteten Teilstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen vorgesehen ist, sowie

f) dem Photodetektor (14α) zwei Lock-in-Verstärker (16a, 166) zur Trennung der bei den beiden Frequenzen am Ausgang des Photodetektors auftretenden Signale nachgeschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß optische Elemente (7a, Tb) zur Fokussierung der Teilstrahlen auf die Eintrittsenden der Lichtleiter (8a, 86) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lock-in-Verstärker (16a, 166) an eine Quotientenschaltung (17) angeschlossen sind.

4. Vonichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator eine Chopperscheibe (6) mit unterschiedlichen Lochkränzen für die beiden Teilstrahlen umfaßt.