DE4331010A1 - Meßfühler für spektralphotometrische Remissionsmessungen - Google Patents
Meßfühler für spektralphotometrische RemissionsmessungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Meßfühler für spektralphotometrische
Remissionsmessungen auf Schleimhäuten von Lebenwesen, insbesondere für die
Konzentrationsbestimmungen von Farbstoffen im Blut, wie z. B. Hämoglobin und
Bilirubin, aber auch von im NIR-Spektralbereich meßbaren Stoffen wie Albumin,
Glukose, Harnstoff, Cholesterin usw.
Bei derartigen Konzentrationsbestimmungen tritt als eine Störgröße die Art und Beschaffenheit
der Haut in Erscheinung. Dabei spielen z. B. die unterschiedliche Pigmentierung
infolge unterschiedlicher Hauttypen, aber auch bei gleichem Hauttyp der
unterschiedliche Gehalt an Melanin je nach UV-Bestrahlung sowie unterschiedlich
dicke Fettgewebe in Abhängigkeit vom Körperteil eine Rolle. Nach BALLOWITZ
u. a., pädriatische praxis 26 (1982) 413-423 kann man diese Störgröße beseitigen
und weitestgehend personenunabhängige Messungen durchführen, wenn man als
Meßort die Mundschleimhäute wählt. Aufgrund der fehlenden Knochenunterlage
findet hierbei die Messung auf relativ weichem Gewebe statt und führt bei Verkanten
des Meßfühlers zu erheblichen Meßfehlern.
Die im Stand der Technik bekannten Meßfühler zur spektralen Remissionsmessung
arbeiten in der Regel ohne Kontrolle der Auflage (z. B. DE-PS 38 27 457, US-PS
4 029 085 und Phys. Med. Biol., Vol. 33 (1988) Nr. 6, 711-722) und sind deshalb nur
geeignet zur Messung an Körperstellen mit ebener und fester Auflagefläche, wie der
Stirn, dem Sternum und ähnlichen Stellen.
In der DE-PS 29 16 061 wird ein konstanter Andruck des Meßfühlers während der
Messung dadurch erzeugt, daß ein Schalter über eine Federanordnung bei einer bestimmten
Andruckkraft die Messung auslöst. Ein Verkanten führt in diesem Fall jedoch
ebenfalls zu großen Meßfehlern.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur spektralen
Remissionsmessung auf der Schleimhaut von Lebewesen anzugeben, die sicherstellt,
daß der Meßfühler zum Zeitpunkt der Messung gleichmäßig auf der Hautoberfläche
aufliegt und somit reproduzierbare und personenunabhängige Konzentrationsbestimmungen
von Stoffen im Blut möglich sind.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Meßfühler für spektralphotometrische
Remissionsmessungen an der Haut von Lebewesen mit einer Beleuchtungseinrichtung,
aus der mindestens zwei spezifische Anteile des optischen Spektrums zu
unterschiedlichen Zeitpunkten auf die Haut gerichtet sind, einer optischen Sensoreinheit,
die die unterschiedlichen spektralen Anteile der Beleuchtungseinrichtung
gleichermaßen erfassen kann, und einer Meßwertverarbeitungseinrichtung zur Berechnung
von Stoffkonzentrationen in den oberflächennahen Gewebeschichten unter
der Hautoberfläche, dadurch gelöst, daß die Beleuchtungseinrichtung aus
mindestens zwei Gruppen von spektral unterschiedlichen Strahlungsquellen besteht,
daß jede Gruppe von Strahlungsquellen wenigstens drei bezüglich der Sensoreinheit
symmetrisch angeordnete Strahlungsquellen mit gleicher spektraler Bandbreite
enthält, wobei zumindest die Strahlungsquellen einer Gruppe zur Auflagenkontrolle
des Meßfühlers impulsförmig in zeitlich kurzer Folge ansteuerbar sind, und daß die
Meßwertverarbeitungseinrichtung zusätzlich Mittel zum Vergleich von
Kontrollwerten, die durch die in zeitlicher Folge impulsförmig angesteuerte Gruppe
von Strahlungsquellen in der Sensoreinheit erzeugt werden, enthält und bei
Gleichheit und einer bestimmten Größe der Amplituden der Kontrollwerte den
üblichen Meßvorgangs auslöst.
Dazu ist der Meßfühler in seinen Bestandteilen Strahlungsquellen und Detektoren
vorteilhaft miniaturisiert, vorzugsweise in Hybridtechnologie, ausgeführt, wobei die
Meßwertverarbeitungseinrichtung in einem separaten Geräteteil untergebracht und
über Verbindungsleitungen angekoppelt ist. Zur Abschirmung des direkten Lichts
der Strahlungsquellen vom Meßdetektor ist auf dem Hybridsubstrat vorteilhaft ein
Lichtschacht aufgebracht.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Meßfühler für spektralphotometrische
Remissionsmessungen an der Haut von Lebewesen mit einer Beleuchtungseinrichtung,
deren Strahlung auf die Haut gerichtet ist, einer optischen
Sensoreinheit, die die geeigneten spektralen Anteil der Beleuchtungseinrichtung
gleichermaßen erfassen kann, und einer Meßwertverarbeitungseinrichtung zur
Berechnung der Stoffkonzentration in den oberflächennahen Gewebeschichten unter
der Hautoberfläche, dadurch gleichwertig gelöst, daß die Beleuchtungseinrichtung
eine zentralsymmetrisch zur Sensoreinheit angeordnete Blitzlampe mit
kontinuierlichem Spektrum ist, daß die Sensoreinheit aus einem Mehrkanaldetektor
mit vorgelagertem dispersiven Medium für den üblichen Meßvorgang besteht und
wenigstens drei symmetrisch zur Beleuchtungseinrichtung angeordneten
Kontrolldetektoren zur Auflagekontrolle des Meßfühlers enthält, und daß die
Meßwerterfassungseinrichtung zusätzlich Mittel zum Vergleich von Kontrollwerten,
die mittels der Kontrolldetektoren erfaßt werden, enthält und bei einer bestimmten
Größe und Übereinstimmung der Kontrollwerte untereinander den üblichen
Meßvorgang als gültig bewertet und zur Anzeige bringt.
Bei beiden erfindungsgemäßen Prinziplösungen wird der Meßfühler an seiner Auflagefläche
vorteilhaft lediglich durch entsprechend angeordnete Enden von
Lichtleitfasern gebildet, wobei die Lagebeziehungen für die Strahlungsquellen/
Detektoranordnungen zugrunde zu legen sind und die Lichtleitfasern mit ihrem
anderen Ende an die Strahlungsquellen und Detektoren in einem separaten, die
Meßwertverarbeitungseinheit enthaltenden Geräteteil, angekoppelt sind.
Es erweist sich bei beiden Prinziplösungen in deren miniaturisierten
Meßfühlerformen (Hybridtechnik und Lichtleitfasertechnik) von beachtlichem
Vorteil, die Schleimhäute von Lebewesen zur Auflage des Meßfühlers zu nutzen, da
dadurch eine personenunabhängige , transkutane Meßwertgewinnung erreicht wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Lichtleitfaservariante ergibt sich, indem der
separate Geräteteil abkoppelbar ist und somit identisch aufgebaute Strahlungsquellen-
/Detektoranordnungen mit unterschiedlich abgestimmten Spektralbereichen
ankoppelbar sind.
Je nach ausgewählten Spektralbereichen lassen sich entweder der Gehalt an
Bilirubin, Hämoglobin, Blutzucker, Albumin, Harnstoff, Cholesterin oder ähnlichen
Stoffen in Körperflüssigkeit oder -gewebe ermitteln.
Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Überlegung, daß bei einem optischen
Meßprinzip nicht nur ein bestimmter Auflagedruck für reproduzierbare und
personenunabhängige Meßwerte die entscheidende Rolle spielt, sondern auch die
optisch exakt senkrechte Position des Meßfühlers auf einer Hautpartie, die wenig
individuelle Abweichungen (infolge Hauttyp, Fettgewebe usw.) aufweist. Die dafür
geeigneten Schleimhäute haben den Nachteil, daß sie wegen der fehlenden Knochenunterlage
keine glatte, ebene Oberfläche ausbilden. Deshalb ist es wichtig, den Meßvorgang
im Zeitpunkt der besten senkrechten und gleichmäßigen Auflage auszulösen.
Die Bestimmung des geeigneten Auflagezustandes erfolgt erfindungsgemäß
durch optische Kontrollmessungen. Dabei besteht das Grundprinzip in einer zentralsymmetrischen
Anordnung von Strahlungsquellen und Sensoren, wobei
sinnvollerweise die für den eigentlichen Meßvorgang vorhandenen Elemente ausgenutzt
werden und im Zustand einer im geeigneten Toleranzbereich liegenden
Übereinstimmung der Kontrollsignale der eigentliche Meßvorgang in mindestens
zwei Spektralbereichen erfolgt. Die Meßwerte aus Kontrollmessung und
nachfolgender Hauptmeßwertaufnahme müssen - um den erfaßten geeigneten
Auflagezustand des Meßfühlers auch im eigentlichen Meßvorgang noch garantiert
zu wissen - innerhalb von (10-20) ms abgeschlossen sein, oder aus den
aufgenommenen Meßwerten werden ausschließlich nur die bei ordnungsgemäßer
Kontrollmessung erfaßten zur Anzeige gebracht.
Mit dem erfindungsgemäßen Meßfühler ist es möglich, auf der Schleimhaut von
Lebewesen spektrale Remissionsmessungen bei gleichmäßiger Auflage auf der
Hautoberfläche durchzuführen und somit zu reproduzierbaren, vom Individuum unabhängigen
Meßwerten zu gelangen, die die objektive Bestimmung des Gehaltes an
Stoffen in Körperflüssigkeit oder -gewebe zulassen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert
werden. Die Zeichnung zeigt
Fig. 1 den erfindungsgemäßen Meßfühler in einer Hybridvariante mit peripheren
Strahlungsquellen,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung von Fig. 1 entlang der Linie A
Fig. 3 eine räumliche Aufteilung der Elemente des Meßfühlers mit peripheren
Kontrolldetektoren.
Der erfindungsgemäße Meßfühler besteht in seinem Grundaufbau aus einem um den
Meßdetektor 3 zentralsymmetrisch gleichverteilten Strahlungsquellen-/Detektorsystem,
bei dem durch Kontrollmessungen im Zustand des Erreichens einer
bestimmten Größe und des annähernd gleichen Wertes aller Kontrollsignale die
eigentlichen spektralen Remissionsmessungen ausgelöst werden. Dazu sind zwei
prinzipiell verschiedenartig aufgebaute Anordnungen (Beispiele) möglich. Beiden
Varianten ist gemeinsam, daß sie zum Zwecke der Anwendung auf Schleimhäuten
miniaturisierbar sind, wobei dann die Meßwertverarbeitungseinrichtung stets in einen
separaten Gehäuseteil ausgelagert und deshalb in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
Im ersten Beispiel ist der Meßfühler - wie aus Fig. 1 zu entnehmen - mit
verschiedenfarbigen LED′s als Strahlungsquellen 2 in zwei jeweils symmetrisch um
einen Meßdetektor 3 verteilten Gruppen auf einem Keramiksubstrat 1 ausgestattet.
Hermetisiert mit einem für die Strahlung transparenten Gießharz, das somit als
Strahlungsfenster dient, wird dieser Hybridschaltkreis unmittelbar auf die
auszumessende Hautoberfläche aufgesetzt.
Im Anwendungsfall des Meßfühlers für ein Bilirubinometer strahlt die erste Gruppe
21 von Strahlungsquellen 2 im grünen Spektralbereich, wobei deren Bandbreite so
gering ist, daß man ohne Filter arbeiten kann. Die zweite Gruppe 22 sind blau strahlende
LED′s, die zur Verringerung ihrer Spektralbreite mit einem vorgesetzten
Kantenfilter 4 (Tiefpaß) versehen sind. Ein Lichtschacht 5 aus lichtundurchlässigem
Material schirmt den zentral gelegenen Meßdetektor 3 von dem direkten Licht der
Strahlungsquellen 2 ab, so daß nur remittiertes Licht empfangen wird. Dieser
räumliche Aufbau ist in der Schnittdarstellung von Fig. 2 deutlicher dargestellt,
deren Schnittebene in Fig. 1 ausgewiesen ist.
Für die Aufsatzkontrolle wird in diesem Fall die erste Gruppe 21 von Strahlungsquellen
2 verwendet. Das geschieht in der Weise, daß diese in zeitlicher Reihenfolge
mit kurzen Stromimpulsen zur Strahlung angeregt werden. Wenn die über den
Meßdetektor 3 registrierten Signale in der Meßwertverarbeitungseinrichtung alle
vier als gleich ermittelt werden, d. h. wenn ihre Amplituden in einem bestimmten
Toleranzbereich liegen, liegt die Hautoberfläche gleichmäßig am Meßfühler mit
einem definierten Andruck an und die Remissionsmessung wird ausgelöst. In diesem
Fall werden Remissionswerte im grünen und blauen Spektralbereich aufgenommen
zur Bestimmung des Bilirubingehaltes z. B. bei Neugeborenen. Dabei erfolgt
abwechselnd die impulsförmige Einstrahlung aller vier grünen LED′s der ersten
Gruppe 21 und aller vier blauen LED′s der zweiten Gruppe 22 von
Strahlungsquellen 2. Die Mindestanzahl der Strahlungsquellen 2 der Gruppe 21
beträgt drei. Aus Symmetriegründen und wegen der Vergleichbarkeit der Meßwerte
aus dem Meßdetektor 3 ist es zweckmäßig, beide Gruppen 21 bzw. 22 in Anzahl
und Winkelverhältnissen gleich anzuordnen.
Eine erfolgreiche Remissionswertmessung nach erfolgter Kontrolle des Auflagezustandes
des Meßfühlers ist nur dann gewährleistet, wenn der Meßvorgang nicht
länger als 20 ms dauert, damit die kontrollierte Auflagegenauigkeit des Meßfühlers
nicht durch Körperbewegungen verändert wird. Dementsprechend ist die Taktung
der Meßimpulse auszuwählen.
In Fig. 3 wird eine zweite Variante der Erfindung mit einer Blitzlampe 23 und einer
sie umgebenden Schar von Kontrolldetektoren 32 (mindestens drei - hier: vier)
schematisch dargestellt. Als in üblicher Weise zentral angeordneter Meßdetektor 3
wird - auf Grund des kontinuierlichen Spektrums der Blitzlampe 23 - ein
Mehrkanaldetektor 31 mit vorgelagertem dispersiven Medium verwendet.
Fig. 3 zeigt einen über eine optische Faser 6 eingekoppelten ringförmigen wirksamen
Querschnitt der Blitzlampe 23. Es ist jedoch auch möglich, mehrere konzentrisch
und symmetrisch um den Mehrkanaldetektor 31 angeordnete, gegenüber den
Detektoren abgeschirmte Blitzlampen einzusetzen. Außerhalb der
Blitzlampenperipherie sind - wiederum symmetrisch - Kontrolldetektoren 32 für die
Auflagekontrolle des Meßfühlers angeordnet. Bei einer Ansteuerung der Blitzlampe
23 werden in dieser Variante gleichzeitig Signale aufgenommen, die auf Gleichheit
zu prüfen sind (in der Meßwertverarbeitungseinrichtung), bevor die übliche spektrale
Remissionsmessung bei exakter Auflage des Meßfühlers als gültig oder als
ungültig verworfen wird.
Um einen Meßfühler in miniaturisierter Form für Anwendungen an
Mundschleimhäuten zu erhalten, läßt sich Fig. 3 auch noch in einer anderen Weise
als vorteilhafte Variante interpretieren.
Für diesen Fall sind die Bezugszeichen von Fig. 3 zunächst irreführend, weil die gezeigten
Umrisse ein entsprechend geformtes Bündel optischer Fasern 6 darstellen
sollen. Die planen Enden dieses Bündels sind somit die Auflagefläche des Meßfühlers,
während die eigentlichen Funktionselemente in den bereits oben erwähnten separaten
Geräteteil "zurückverlagert" werden. Insofern behalten die Bezugszeichen
ihre Bedeutung, wenn man ihnen den Zusatz "Faser zu . . ." voranstellt, womit die
Ankoppelbeziehungen der nicht dargestellten anderen Seite des Faserbündels festgeschrieben
sind. Mit dieser Anordnung ist ein besonders kompakter Meßfühler gegeben,
der alle funktionsbestimmenden Elemente ortsfest und geschützt in einem von
der Meßstelle entfernten Geräteteil enthält.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Keramiksubstrat
2 Strahlungsquellen
21 erste Gruppe von Strahlungsquellen
22 zweite Gruppe von Strahlungsquellen
23 Blitzlampe
3 Meßdetektor
31 Mehrkanaldetektor mit vorgelagertem dispersiven Medium
32 Kontrolldetektoren
4 Kantenfilter
5 Lichtschacht
6 optische Faser
2 Strahlungsquellen
21 erste Gruppe von Strahlungsquellen
22 zweite Gruppe von Strahlungsquellen
23 Blitzlampe
3 Meßdetektor
31 Mehrkanaldetektor mit vorgelagertem dispersiven Medium
32 Kontrolldetektoren
4 Kantenfilter
5 Lichtschacht
6 optische Faser
Claims (8)
1. Meßfühler für spektralphotometrische Remissionsmessungen an der Haut von
Lebewesen mit einer Beleuchtungseinrichtung, aus der mindestens zwei spezifischen
Anteile des optischen Spektrums zu unterschiedlichen Zeitpunkten auf die
Haut gerichtet sind, einer optischen Sensoreinheit, die die unterschiedlichen
spektralen Anteile der Beleuchtungseinrichtung gleichermaßen erfassen kann,
und einer Meßwertverarbeitungseinrichtung zur Berechnung von Stoffkonzentrationen
in den oberflächennahen Gewebeschichten unter der
Hautoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Beleuchtungseinrichtung aus mindestens zwei Gruppen (21; 22) von spektral unterschiedlichen Strahlungsquellen (2) besteht,
- - jede Gruppe (21; 22) von Strahlungsquellen (2) wenigstens drei bezüglich der Sensoreinheit symmetrisch angeordnete Strahlungsquellen (2) mit gleicher spektraler Bandbreite enthält, wobei zumindest die Strahlungsquellen (2) einer Gruppe (21) zur Auflagekontrolle des Meßfühlers impulsförmig in zeitlich kurzer Folge ansteuerbar sind, und
- - die Meßwertverarbeitungseinrichtung zusätzlich Mittel zum Vergleich von Kontrollwerten, die durch die in zeitlicher Folge impulsförmig angesteuerte Gruppe (21) von Strahlungsquellen (2) in dem in der Sensoreinheit enthaltenen Meßdetektor (3) erzeugt werden, enthält und bei Gleichheit und einer bestimmten Größe der Amplituden der Kontrollwerte den üblichen Meßvorgang auslöst.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßfühler mit Strahlungsquellen (2) und Meßdetektor (3) miniaturisiert,
vorzugsweise in Hybridtechnologie, ausgeführt ist und die
Meßwertverarbeitungseinrichtung in einem separaten Geräteteil angeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßdetektor (3) durch einen Lichtschacht (5) gegenüber den
Strahlungsquellen (2) abgeschirmt ist.
4. Meßfühler für spektralphotometrische Remissionsmessungen an der Haut von
Lebewesen mit einer Beleuchtungseinrichtung, deren Strahlung auf die Haut
gerichtet ist, einer optischen Sensoreinheit, die die geeigneten spektralen Anteile
der Beleuchtungseinrichtung gleichermaßen erfassen kann, und einer
Meßwertverarbeitungseinrichtung zur Berechnung von Stoffkonzentrationen in
den oberflächennahen Gewebeschichten unter der Hautoberfläche, dadurch
gekennzeichnet, daß
- - die Beleuchtungseinrichtung eine zentralsymmetrisch zur Sensoreinheit angeordnete Blitzlampe (23) mit kontinuierlichem Spektrum ist,
- - die Sensoreinheit aus einem Mehrkanaldetektor (31) mit vorgelagertem dispersiven Medium für den üblichen Meßvorgang besteht und wenigstens drei symmetrisch um die Beleuchtungseinrichtung herum angeordnete Kontrolldetektoren (32) zur Auflagekontrolle des Meßfühlers enthält, und
- - die Meßwerterfassungseinrichtung zusätzlich Mittel zum Vergleich von Kontrollwerten, die mittels der Kontrolldetektoren (32) erfaßt werden, enthält und bei einer bestimmten Größe und Übereinstimmung der Kontrollwerte untereinander den üblichen Meßvorgang als gültig bewertet und zur Anzeige bringt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Meßfühler an seiner Auflagefläche lediglich die entsprechend angeordneten
Enden von optischen Fasern (6) aufweist, wobei die Lagebeziehungen der
besagten Strahlungsquellen-/Detektoranordnungen durch die Faserenden
realisiert sind, und die optischen Fasern (6) an die Strahlungsquellen (2) und
Detektoren in einem separaten Geräteteil, der auch die
Meßwertverarbeitungseinrichtung enthält, entsprechend der in der Auflagefläche
des Meßfühlers vorgeschriebenen Lagebeziehung angekoppelt sind.
6. Anordnung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der miniaturisierte Meßfühler mit seiner Auflagefläche auf
Mundschleimhäute eines Lebewesens aufgesetzt wird.
7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das separate Geräteteil abkoppelbar ist und somit identisch aufgebaute
Strahlungsquellen-/Detektoranordnungen mit unterschiedlich abgestimmten
Spektralbereichen ankoppelbar sind.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet,
daß je nach ausgewählten Spektralbereichen der Gehalt an Bilirubin,
Hämoglobin, Blutzucker, Albumin, Harnstoff, Cholesterin oder ähnlichen
Stoffen in Körperflüssigkeit oder -gewebe ermittelbar ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934331010 DE4331010A1 (de) | 1993-09-13 | 1993-09-13 | Meßfühler für spektralphotometrische Remissionsmessungen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934331010 DE4331010A1 (de) | 1993-09-13 | 1993-09-13 | Meßfühler für spektralphotometrische Remissionsmessungen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4331010A1 true DE4331010A1 (de) | 1995-03-16 |
Family
ID=6497574
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934331010 Withdrawn DE4331010A1 (de) | 1993-09-13 | 1993-09-13 | Meßfühler für spektralphotometrische Remissionsmessungen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4331010A1 (de) |
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1993
- 1993-09-13 DE DE19934331010 patent/DE4331010A1/de not_active Withdrawn
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: JENOPTIK AG, 07743 JENA, DE |
|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |