DE3875758T2 - Geraet zur beobachtung der blutstroemung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Beobachtung des Blutstromflusses durch ein Blutgefäß, und insbesondere eine Vorrichtung zum Messen der Verteilung und der Zeitänderung einer Durchschnittsgeschwindigkeit eines Blutstromes in der Hautoberfläche eines Patienten mittels des Lasersprenkelverfahrens.
• Wenn Laserlicht auf ein lebendes Gewebe, wie die Haut, auftrifft, wird das Laserlicht von das Blut bildenden Teilchen gestreut und gestreute Lichtstrahlen interferieren miteinander, um ein Zufallsmuster zu bilden, d. h. ein Fleckenmuster. Dieses Fleckenmuster ändert sich mit der Zeit aufgrund der Bewegung der Blutzellen in dem Blutgefäß. Deshalb kann dort ein untergrundartiges Signal abgeleitet werden, das die Geschwindigkeit des Blutstroms darstellt, indem die Zeitänderung der Intensität des von einem gewissen Punkt auf der Haut gestreuten Lichtes gemessen wird. Dieses Phänomen war von Dr. M.D. Stern et al um das Jahr 1975 herum entdeckt worden. Durch Verwendung dieses Phänomens kann der Blutstrom mit Hilfe der Frequenzanalyse des Fleckensignals ohne Beschädigung der Haut gemessen werden. Das Studium dieses Phänomens ist schnell entwickelt worden und das Gerät zum Beobachten des Blutstroms war im Handel als das Laser-Doppler- Blutstrommeter erhältlich.
• Bei dem bekannten Gerät wird die Zeitänderung des Blutstroms bei einem Punkt mit Hilfe eines optischen Fieberskops erfaßt und irgendein anormaler Zustand wird erfaßt, indem die Meßdaten mit Daten eines Normbezugspunktes verglichen werden. Jedoch schwanken die Meßdaten von entsprechenden Meßpunkten bei dem bekannten Laser-Doppler-Blutströmungsmeter, bei dem die optische Faser verwendet wird, da der Bereich des Erfassungspunktes einen sehr kleinen Durchmesser, wie einige Millimeter, aufweist. Deshalb ist das bestehende Gerät nicht geeignet, die Blutströmung in einem ziemlich großen Bereich festzustellen. Da ferner das über das optische Faserskop erhaltene Signal inhärent rauschend ist, muß ein Integrationsschaltkreis oder ein Tiefpassfilter vorgesehen sein, um das rauschende Signal zu glätten. Wenn die Zeitkonstante dieser Schaltkreise groß gemacht wird, kann die Blutströmungsänderung langsam angezeigt werden, jedoch nimmt die Empfindlichkeit gegenüber irgendeiner Blutströmungsänderung ab.
• Diese Unfähigkeit, die Zeitänderung der Blutströmung mit einer großen Ansprechempfindlichkeit anzuzeigen oder die Verteilung der Blutströmungsaktivität anzuzeigen, stellt ein technisches Problem dar.
• FR-A-2537428 offenbart ein Gerät, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben ist. Die Blutströmung wird durch eine Frequenzanalyse des Interferenzmusters gemessen, das von einer einzigen Stelle durch die Lichtempfangseinrichtung empfangen wird.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein Gerät zum Beobachten einer Bluströmung, umfassend: eine Lichtprojektionseinrichtung zum Projizieren von Laserlicht auf einen Gegenstand; und eine Lichtempfangseinrichtung zum Empfangen von von dem Gegenstand reflektierten Laserlicht; eine Speichereinrichtung zum Speichern der Ausgangssignale, die von den Lichtempfangselementen ausgelesen sind; eine Recheneinrichtung zum Verarbeiten der in der genannten Speichereinrichtung gespeicherten Ausgangsignale, um eine Information über die Blutströmung des Gegenstandes abzuleiten; und eine Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen der Information über die Blutströmung, wobei das Gerät dadurch gekennzeichnet ist, daß die Lichtempfangseinrichtung einen Bildsensor umfaßt, der eine Vielzahl von Lichtempfangselementen aufweist, die in wenigstens einer Richtung angeordnet sind, so daß jedes Element Licht von einem unterschiedlichen Ort auf dem Gegenstand empfängt.
• Das Gerät nach der vorliegenden Erfindung ist vorteilhaft im Hinblick auf das bestehende Laser-Doppler-Blutströmungsmeter, das eine optische Faserprobe verwendet, da es schneller auf Änderungen bei der Blutströmungsgeschwindigkeit antworten kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Blutströmungsänderung über eine größere Hautoberfläche gemessen werden kann. Auf diese Weise ist die erhaltende Information zweckmäßiger zur Diagnose.
• Zwei Ausführungsformen der Erfindung, durch die die Blutströmungsgeschwindigkeitsänderung mit der Zeit oder die Blutströmungsgeschwindigkeitsverteilung über einen Hautbereich beobachtet werden kann, werden nun in ausschließlich beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten, diagrammartigen Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 eine perspektivische Darstellung ist, die die Art der Beobachtung der Blutströmung in der Hautoberfläche mit Hilfe des Gerätes gemäß der Erfindung zeigt;
• Fig. 2(a) und 2 (b) grafische Darstellungen des Ausgangssignals des Blutströmungsüberwachungsgerätes sind;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm ist, das die Konstruktion der Signalverarbeitungseinheit des Blutströmungsüberwachungsgerät zeigt;
• Fig. 4(a) und 4(b) sind grafische Darstellungen des Ausgangssignals des Gerätes;
• Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung, die eine andere Ausführungsform des Blutströmungsüberwachungsgerätes gemäß der Erfindung zeigt.
• Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch eine Ausführungsform des Blutströmungsbeobachtungsgerätes gemäß der Erfindung zeigt. Das Gerät umfaßt eine Laserlichtquelle L zum Projizieren eines Laserlichtstrahles B auf eine Hautoberfläche S.
• Die Laserlichtquelle L umfaßt einen Laser zum Aussenden eines Laserstrahls und eine Zylinderlinse, um den von dem Laser ausgesandten Laserstrahl in einen rechteckförmigen Strahl umzuwandeln, der eine Weite von einigen Zentimetern aufweist. Das von der Hautoberfläche N reflektierte Laserlicht fällt über eine Objektivlinse 1 auf einen linearen Liniensensor 2. Der lineare Liniensensor 2 umfaßt eine Anzahl von Lichtempfangselementen, die in einer Richtung angeordnet sind. Auf der Lichtempfangsoberfläche des Liniensensors 2 wird ein Fleckenmuster gebildet, das sich mit der Zeit entsprechend der Bewegung der Blutzellen in den Blutgefäßen innerhalb der Hautoberfläche S verändert. Deshalb können durch Abtasten des Liniensensors 2 photoelektrische Signale erhalten werden, die die Zeitänderung des Fleckenmusters darstellen.
• Fig. 2 (A) und 2(b). sind grafische Darstellungen, die die Zeitänderungen des Ausgangssignals von dem Liniensensor 2 zeigen, während das Laserlicht auf die Hautoberfläche S an der gleichen Stelle auffällt. Die Kurven mit ausgezogener Linienführung und mit unterbrochener Linienführung stellen die Ausgangssignale zu unterschiedlichen Zeiten dar. Fig. 2(a) zeigt die Ausgangssignale, wenn die Blutströmungsgeschwindigkeit hoch ist, und die in Fig. 2(b) gezeigte Kurve stellt die Ausgangssignale dar, wenn die Geschwindigkeit der Blutströmung gering ist. In Fig. 2(a) ist das Ausgangssignal zur zweiten Zeit sehr unterschiedlich von dem der ersten Zeit wegen der großen Änderung des Fleckenmusters. Im Gegensatz hierzu sind die Ausgangssignale zur ersten und zur zweiten Zeit, die in Fig. 2(b) gezeigt sind, im wesentlichen einander gleich, weil die Änderung des Fleckenmusters klein ist.
• Wenn deshalb die Unterschiede zwischen die Ausgangssignalen von jedem der Bildfühlerelemente in dem Sensor 2 zu unterschiedlichen Zeiten abgeleitet und angesammelt werden, wird der angesammelte Wert bei der Bedingung der Fig. 2(a) groß und bleibt relativ klein bei der Bedingung der Fig. 2(b).
• Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das eine Signalverarbeitungseinheit zeigt. Ein Ausgangssignal von dem Liniensensor 2 wird aufeinanderfolgend einem Videoverstärker 3, einem Analog/Digital-Konverter 4, einem Speicher 5 und einer Anzeige 6 zugeführt. Diese Schaltkreise sind mit einem Mikrocomputer 7 verbunden und werden durch den Mikrocomputer gesteuert und Signale werden zwischen den Schaltkreisen und dem Mikrocomputer übertragen.
• Der Liniensensor 2 umfaßt 256 Lichtempfangselemente und die Ausgangssignale der aufeinanderfolgend ausgelesenen Elemente werden durch den Videoverstärker 3 verstärkt und in Digitalsignale durch den Hochleistungs-Analog/Digital-Konverter 4 umgewandelt. Diese Digitalsignale werden dann in dem Speicher 5 gespeichert. Unter der Steuerung des in dem Mikrocomputer 7 gespeicherten Programms werden die Unterschiede zwischen Ausgangssignalen bei aufeinanderfolgenden Abtastungen von jedem der Lichtempfangselemente berechnet und diese derart berechneten Unterschiede werden dann akkumuliert. Die Berechnung wird in der folgenden Weise durchgeführt.
• Es wird nun angenommen, daß die Anzahl der Lichtempfangselemente des Liniensensors 2 gleich N ist, und daß die Ausgangssignale von dem n-ten Lichtempfangselement zur Zeit t und t+ Δt ausgedrückt werden durch I(t,n) beziehungsweise I(t+Δt,n). Dann können die aufaddierten Werte V(t) in der folgenden Weise berechnet werden.
• Der aufsummierte Wert V(t) ist der Durchschnittsgeschwindigkeit der Blutströmung zur Zeit t proportional. Die obige Berechnung wird mit großer Geschwindigkeit durchgeführt, und der errechnete Wert wird auf der Anzeigeneinrichtung 6 als eine Reihe von Wellenformen angezeigt oder einer Aufzeichnungseinrichtung zugeführt. Auf diese Weise kann die Zeitänderung der Blutströmung gemessen werden.
• Bei der soweit erläuterten Ausführungsform wird die Änderung der Blutströmungsgeschwindigkeit mit der Zeit gemessen. Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, die Verteilung der Blutströmung anzuzeigen, indem das in dem Mikrocomputer 7 gespeicherte Programm geändert wird.
• Fig. 4(a) zeigt aus dem Liniensensor 2 zu zwei aufeinanderfolgenden Zeiten ausgelesene Ausgangssignale, während der Laserstrahl auf eine Stelle auf der Hautoberfläche auftrifft. In der rechten Hälfte der Darstellung ist die Blutströmungsgeschwindigkeit hoch, während die Blutströmungsgeschwindigkeit auf der linken Hälfte niedrig ist. Auf der rechten Hälfte unterscheiden sich, da das Muster eine große Änderung zeigt, die Ausgangssignalwerte bei entsprechenden Lichtempfangselemneten in hohem Maße voneinander, aber auf der linken Hälfte sind die Unterschiede gering. Deshalb ist es möglich, wenn diese Unterschiede für entsprechende Lichtempfangselemente während einer vorbestimmten Dauer aufsummiert werden, die Verteilung der Blutströmungsgeschwindigkeit in der Abtastlinie zu erhalten, wie es in Fig. 4(b) gezeigt ist.
• Das vorgenannte Abtasten wird einige hundert Mal wiederholt und die derart erhaltenen Daten werden in dem Speicher 5 gespeichert. Dann wird unter der Steuerung des in dem Mikrocomputer 7 gespeicherten Programms die Unterschiede zwischen den Ausgängen von zwei aufeinander folgenden Abtastungen abgeleitet. Dieser Vorgang wird in der folgenden Weise durchgeführt.
• Es wird nun angenommen, daß ein Ausgangssignal des n-ten Lichtempfangselementes des Liniensensors 2 bei der k-ten Abtastung mit Ik(n) und das bei der (k+1)-ten Abtastung durch Ik+1(n) dargestellt wird. Dann kann der absolute Wert des Unterschiedes zwischen diesen Ausgangssignalen in der folgenden Weise abgeleitet werden.
• Δk(n) = Ik(n) - Ik+1(n)
• Die Unterschiede werden für eine Anzahl von Abtastzeiten M aufaddiert.
• Dann ist das derart berechnete V(n) der Blutströmungsgeschwindigkeit an einem relevanten Punkt proportional. Die Werte V(n) werden für jedes der N Lichtempfangselemente berechnet, um die Verteilung der Blutströmungsgeschwindigkeit längs der Meßlinie B auf der Hautoberfläche S zu erhalten. Dann wird die Verteilungskurve auf der Anzeigeeinrichtung dargestellt, wie es in Fig. 4(b) gezeigt ist.
• Wenn wenigstens die Hautoberfläche S oder das Meßsystem, das die Objektivlinse 1 und den Liniensensor 2 umfaßt, senkrecht zu der Richtung der Abtastlinie B bewegt wird, ist es möglich, eine zweidimensionale Bluströmungsgeschwindigkeitsverteilung über einen gewissen Bereich der Hautoberfläche S zu erhalten.
• Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung, die eine andere Ausführungsform des Blutströmungsbeobachtungsgerätes gemäß der Erfindung zeigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die zweidimensionale Verteilung der Blutströmung mit Hilfe des linearen Liniensensors gemessen. Ein von einer He-Ne-Laserlichtquelle L ausgesandte Laserlichtstrahl wird in einer Richtung mittels einer Zylinderlinse 12 ausgedehnt und über einen Planspiegel 14, der durch einen Elektromotor 13 mit einer konstanten Geschwindigkeit geschwungen wird, zum Auffall auf die Hautoberfläche S gebracht. Deshalb wird die Hautoberfläche S mit dem Laserstrahl in einer Richtung A abgetastet, wie es in Fig. 5 gezeigt ist. Der von der Hautoberfläche S reflektierte Laserstrahl wird wieder durch den Schwingungsmotor 14 reflektiert und dann über eine Objektivlinse 15 zum Auffall auf einen Liniensensor 16 gebracht.
• Durch Verschwenken des Spiegels 14, um die Abtastlinie B in der Richtung A zu bewegen, wird die Hautoberfläche S zweidimensional abgetastet und eine zweidimensionale Kartierung der Blutströmung kann gebildet werden. Eine solche Kartierung ist für die Diagnose sehr nützlich. Ferner kann die Karte auf einem Farbmonitor derart angezeigt werden, daß unterschiedliche Geschwindigkeiten der Blutströmungsgeschwindigkeit mit unterschiedlichen Farben wiedergegeben werden. Mit Hilfe einer solchen gefärbten Karte ist es möglich, den Zustand der Blutströmung in engen Blutgefäßen auf einen Blick zu erfassen. Eine solche Farbkarte kann wirkungsvoll zusammen mit einem Thermographiebild des Bereiches verwendet werden.
• Bei den vorgenannten Ausführungsformen wird das gestreute Licht durch den linearen Liniensensor erfaßt, aber es ist auch möglich, das gestreute Licht mittels eines zweidimensionalen Bildsensors zu erfassen. Durch Verwendung eines zweidimensionalen Bildsensors kann die Zeitänderung der Blutströmungsgeschwindigketi und die Blutströmungsverteilung zweidimensional erfaßt werden. In diesem Fall muß ein in zwei orthogonale Richtungen expandierter Laserstrahl zum Auffall auf den Gegenstand gebracht werden.
• Wenn ferner die Empfindlichtkeit des zweidimensionalen Bildsensors, zum Beispiel CCD (ladungsgekoppelte Einrichtung) oder die Ausgangsleistung der Laserlichtquelle ausreichend groß ist, können die nützlichen Daten ohne Bewegung des Gegenstandes und des Meßsystems relativ zueinander durch zweidimensionale Ausdehnung des Laserlichts erhalten werden. Wie vorstehend erläutert, ist es bei dem Blutströmungsüberwachungsgerät gemäß der Erfindung möglich, die Blutströmungsänderung und die Blutströmungsverteilung anzuzeigen, die sehr nützlich für die Diagnose sind. Im Vergleich mit dem bekannten Laser-Doppler-Blutströmungsmeter, das eine optische Faserprobe verwendet, ist die Antwort auf die Blutströmungsänderung sehr groß und das Erfassungsfeld kann weiter gemacht werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Beobachten einer Bluströmung, umfassend: eine Lichtprojektionseinrichtung (L; 11, 12, 14) zum Projizieren von Laserlicht auf einen Gegenstand (S); und eine Lichtempfangseinrichtung (1, 2; 14, 15, 16) zum Empfangen von von dem Gegenstand (S) reflektierten Laserlicht; eine Speichereinrichtung (5) zum Speichern der Ausgangssignale, die von den Lichtempfangselementen (2; 16) ausgelesen sind; eine Recheneinrichtung (7) zum Verarbeiten der in der genannten Speichereinrichtung gespeicherten Ausgangsignale, um eine Information über die Blutströmung des Gegenstandes (5) abzuleiten; und eine Anzeigeeinrichtung (6) zum Anzeigen der Information über die Blutströmung,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtempfangseinrichtung (2; 16) einen Bildsensor umfaßt, der eine Vielzahl von Lichtempfangselementen aufweist, die in wenigstens einer Richtung angeordnet sind, so daß jedes Element Licht von einem unterschiedlichen Ort auf dem Gegenstand (S) empfängt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Laserlicht-Projektionseinrichtung eine Laserlichtquelle (L; 11) zum Aussenden eines Laserstrahls und ein optisches Element (12) zum Ausdehnen des Laserstrahls in eine Richtung umfaßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Laserlichtquelle einen He-Ne-Laser umfaßt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß das optischen Element eine Zylinderlinse (12) umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtempfangseinrichtung eine Objektivlinse (1, 15) zum Sammeln von von dem Gegenstand (S) reflektierten Lichstrahlen auf weist und die Lichtempfangselemente des Bildsensors so angeordnet sind, daß sie sich in der benannten einen Richtung erstrecken, in der der Laserstrahl ausgedehnt ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die Laserlicht-Projektionseinrichtung ferner einen Spiegel (14), der um eine Achse drehbar angeordnet ist, die sich in der genannten einen Richtung erstreckt, und einen Elektromotor (13) zur Drehung des Spiegels (14) umfaßt, wobei die genannte Objektivlinse (15) zwischen dem Spiegel (14) und dem Linienbildsensor (16) angeordnet ist.

7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die genannte Laserlicht-Projektionseinrichtung eine Laserlichtquelle zum Aussenden eines Laserstrahls und ein optisches Element zum Ausdehnen des Laserstrahls in zwei orthogonalen Richtungen umfaßt und daß die genannte Lichtempfangseinrichtung einen zweidimensionalen Bildsensor umfaßt.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die genannte Recheneinrichtung (7) eine Durchschnittsgeschwindigkeit der Blutströmung berechnet.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die genannte Recheneinrichtung die folgende Berechnungd durchführt;

mit N der Anzahl der Lichtempfangselemente, I(t,n) dem Ausgang des n-ten Lichtempfangselement zur Abtastzeit t und I(t+Δt,n) einem Ausgang des n-ten Lichtempfangselement zu einer nächsten Abtastzeit t+Δt.

10. Gerät nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Recheneinrichtung eine Verteilung der Blutströmung berechnet.

11. Ein Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Recheneinrichtung die folgende Berechnung durchführt:

mit Δk(n) = Ik(n) - Ik+1(n) und Ik(n) und Ik+1(n) den Ausgängen des n-ten Lichtempfangselements bei der k-ten bzw. der (k+1)-ten Abtastung und M der Anzahl von Abtastungen.

12. Gerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung (6) einen Farbbildschirm zur Anzeige verschiedener Stufen der Verteilung des Blutstroms in verschiedenen Farben umfaßt.