DE4420401A1

DE4420401A1 - Rückstrahlspektroskopische Vorrichtung

Info

Publication number: DE4420401A1
Application number: DE19944420401
Authority: DE
Inventors: Tim Dr Med Liesenhoff; Michael Dipl Ing Giese
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1995-12-21
Also published as: AU2881195A; WO1995034806A1

Description

Rückstrahlspektroskopischen Vorrichtungen liegt das Phäno men zugrunde, daß elektromagnetische Wellen von bestrahlten Materialien teils reflektiert, teils absorbiert werden und dabei die betroffenen Materialien zur Emission neuer elek tromagnetischer Wellen anregen können (sog. Fluoreszenz). Erfaßt man die Intensität in Abhängigkeit von der Wellen länge der Rückstrahlung einer untersuchten Probe, so erhält man ein charakteristisches Spektrum. Dabei kann auch oder alternativ die zeitliche Entwicklung der Rückstrahlung berücksichtigt werden. Bei gleichzeitiger Berücksichtigung von Intensität, Wellenlänge und zeitlicher Entwicklung der Rückstrahlung wäre das Spektrum als Fläche darstellbar. Der Einfachheit halber wird im folgenden jedoch pauschal von Kurven die Rede sein. Das Ziel der Rückstrahlspektroskopie besteht darin, anhand solcher Spektren unbekannte Proben zu identifizieren und zu analysieren. Anwendungsgebiete der Rückstrahlspektroskopie liegen vor allem im Bereich der Medizin, wobei vor allem laserinduzierte Fluoreszenzspek tren verwendet werden (z. B. im Bereich der Biopsie), aber auch in Bereichen beispielweise des Umweltschutzes (z. B. Luftanalyse) und des Recyclings (z. B. Materialtrennung).

Vorrichtungen zur Rückstrahlspektroskopie umfassen grundsätzlich eine Einrichtung zur Erzeugung und gezielten Weiterleitung elektromagnetischer Wellen auf die zu unter suchende Probe und eine Einrichtung zur Aufnahme des Rück strahlspektrums. Um die Anschaulichkeit der folgenden Dar stellung zu erhöhen, wird, sofern nicht anderes angegeben, im weiteren Text als Quelle elektromagnetischer Strahlung beispielhaft ein Laser verwendet, und als Rückstrahlspek trum das durch den Laser induzierte Fluoreszenzspektrum. Die prinzipielle Unabhängigkeit der unten vorgestellten Vorrichtungen und Problemlösungen von diesen beispielhaften Einschränkungen wird jedoch ausdrücklich hervorgehoben.

Aus der Medizin bekannte Identifikationsverfahren beruhen im wesentlichen auf zwei unterschiedlichen Vorgehensweisen:

(1) Aus dem gesamten Fluoreszenzspektrum werden ein oder mehrere Peaks ausgewählt, die bestimmten Elementen, Enzymen oder Atomverbindungen zugeordnet werden können. Die Höhe des Peaks und damit die Intensität der zugrundeliegenden Strahlung hängt mit der Konzentration des jeweiligen Ele ments etc. zusammen. Dabei kann eine signifikante Erhöhung des Peaks in entartetem gegenüber nichtentartetem Gewebe festgestellt werden. Damit wird eine Ja/Nein-Entscheidung wie Karzinom/nicht-Karzinom bei ansonstem bekannten Gewebe ermöglicht (vgl. z. B. J. Beuthan et al., Untersuchungen zur NADH-Konzentrationsbestimmung mittels optischer Biopsie, in: Lasermedizin Vol. 10, S. 57-63, Stuttgart 1994). Häufig wird bei ähnlichen Verfahren die Fluoreszenz durch Applika tion von Farbstoffen verstärkt. Die - neben weiteren physi kalischen und biologischen Störfaktoren - wesentlichen Nach teile dieses Verfahrens bestehen darin, daß es nur Ja/Nein- Entscheidungen zuläßt und Laborbedingungen voraussetzt. So muß beispielsweise der Abstand zwischen der Probe und dem Laseremittor bekannt sein, da die Höhe des Peaks auch hier von abhängt. Ferner ist die Einfärbung von lebendem Gewebe im Körper aufgrund möglicher Nebenwirkungen wie Allergien nur bedingt praktikabel.

(2) Aus dem gesamten Fluoreszenzspektrum werden im Verfah ren des Paarvergleichs Bereiche selektiert, welche sich nach "ratio"-Bildung signifikant voneinander unterscheiden. Dies ermöglicht wiederum eine Differenzierung zwischen entartetem und nicht entartetem Gewebe gleichen Typs. Das Auffinden solcher Stellen bedeutet jedoch einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand. Eine Schnellanalyse ist nicht möglich. Im Ergebnis können wiederum nur Unterscheidungen wie ent artet/nicht-entartet bei ansonsten bekanntem Gewebe getrof fen werden (vgl. z. B. Fluorescence Spectroscopy: Ramanujam et al., A Diagnostic Tool for Cervical Intraepithelial Neoplasia (CIN), in: Gynecologic Oncology 52, 31-38, Aus tin/Texas 1994).

Es entspricht demnach dem Stand der Technik, die Rück strahlspektroskopie zur "Ja/Nein"-Untersuchung bekannter Gewebe hinsichtlich krankhafter Veränderungen zu verwenden. Die Untersuchung muß grundsätzlich in einem von einer even tuell notwendigen Behandlung getrenntem Schritt erfolgen. Dabei ist ein konstanter oder zumindest ein bekannter Ab stand zwischen Laseremittor und Probe häufig Voraussetzung für einen Vergleich der Spektren.

Es ist bisher kaum möglich, festzustellen, aus welchen Gewebearten eine unbekannte Probe besteht. Und es ist nicht möglich, im "on-line"-Verfahren unter veränderlichen, unbe kannten Abständen zwischen Ausgangsemittor und Probe bei spielsweise festzustellen, welche Gewebeart konkret abge tragen wird, bzw. den Laser dahingehend zu steuern, daß automatisch nur die gewünschte Gewebeart abgetragen wird. Allgemeiner ausgedrückt ist es demzufolge nicht möglich, im medizinischen wie allgemein technischen Bereich laufende Vorgänge mittels der Rückstrahlspekroskopie, insbesondere der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie, synchron zu überprüfen und gegebenenfalls steuernd einzugreifen. Des weiteren ist es nicht möglich, mehr als zwei Dimensionen wie Wellenlänge und Zeit oder Wellenlänge und Intensität gleichzeitig zu berücksichtigen. Dies führt zu Zeitverlu sten, beschränkt die Einsatzmöglichkeiten der Rückstrahl spektroskopie und verursacht den aufwendigen Untersuchungs abläufen entsprechend hohe Kosten.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine rückstrahlspektroskopische Vorrichtung zu schaffen, welche prinzipiell in der Lage ist, während eines beliebigen Ein satzes einer Quelle für elektromagnetische Wellen, etwa eines Lasers, eine beliebige unbekannte Probe zu identifi zieren und zu analysieren.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel durch den Gegenstand des Anspruchs 1 erreicht, also durch eine rückstrahlspektrosko pische Vorrichtung, mit einer Einrichtung zur Erzeugung und gezielten Weiterleitung elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe, Mitteln zur Aufnahme und Digitali sierung des resultierenden Rückstrahlspektrums und einer Analyseeinrichtung. Die Analyseeinrichtung ist derart aus gelegt, daß sie einen Zugriff hat auf eine oder mehrere spezifische Mittelwertkurven, jeweils gebildet aus nor mierten Rückstrahlspektren bekannter gleichartiger Proben, eine oder mehrere zugehörige, auf den Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve basierende Wichtungskurven und dazu gehörige, für die je weilige Probenart charakteristische Grenzen für gewichtete Fehler. Sie wertet die ihr von dem Aufnahme-/Digitalisie rungsmittel zugeführten digitalisierten Spektren wie folgt aus: sie normiert die ihr zugeführten Spektren in gleicher Weise, wie bei den ihr zur Verfügung stehenden spezifischen Mittelwertkurven geschehen, und vergleicht sie mit den vor handenen Mittelwertkurven, sie wichtet etwaige Abweichungen von den zur Verfügung stehenden Mittelwertkurven mit der jeweiligen Wichtungskurve und sie stellt fest, ob die ge wichtete Abweichung innerhalb oder außerhalb der jeweils dazugehörigen charakteristischen Grenze für gewichtete Fehler liegt und ob somit das digitalisierte Spektrum der zugehörigen Probenart zuzuordnen ist oder nicht. Die gewon nene Information gibt sie über eine Ausgabeeinrichtung aus.

Gegenüber dem Stand der Technik bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 1 vor allem den Vorteil der Mög lichkeit einer "on line" Gewebe- oder Materialienidentifi zierung und -analyse. Dabei kann ein beliebig großer Aus schnitt der jeweiligen Meßkurven berücksichtigt werden. Die bisher übliche aufwendige und nur ansatzweise mögliche Zuordnung einzelner Kurvenabschnitte zu zugrundeliegenden Elementen oder Enzymen wird durch eine globale Betrachtung ersetzt. Hierbei können gleichzeitig die Dimension der Zeit, der Intensität und der Wellenlänge in das Analysever fahren eingehen. Dadurch läßt sich die Zuverlässigkeit und Aussagekraft der Analyse steigern. Die gesamte Auswertung der Messungen geschieht vollautomatisch und erfordert vom Benützer diesbezüglich keinerlei Sachverstand. Die bisher übliche naturwissenschaftliche Interpretation der gemesse nen Spektren wird durch einen, der menschlichen Verstandes tätigkeit aufgrund seiner enormen Komplexität grundsätzlich unzugänglichen, vergleichenden technischen Auswertevorgang ersetzt. Die beispielsweise für den Behandler wichtigen Aussagen über das zu behandelnde Gewebe, wie z. B. Art des Gewebes, entartet/nicht-entartet, verändert/nicht verän dert, Grad eines Heilungsverlaufs etc. können z. B. durch Fachwörter oder Symbole angezeigt oder akustisch mitgeteilt werden und ermöglichen eine ständige objektive, vom Behandler unabhängige und reproduzierbare Kontrolle über einen laufenden Eingriff.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Analyseeinrichtung für einen Lernmodus ausgelegt und verfügt über eine Eingabemöglichkeit für die gewünschten Kennzeichen der zu lernenden Probenarten und einen Speicher für die gelernten Probenarten (Anspruch 2). Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß Anspruch 2 werden im Lernmodus durch Testmessungen an be kannten Proben die benötigten Mittelwert- und Wich tungskurven, sowie die dazugehörigen, für die jeweilige Probenart charakteristischen Grenzen für den gewichteten Fehler von der Analyseeinrichtung ermittelt, indem die jeweils zu einer Probenart gehörigen Testspektren normiert, gemittelt und anhand der Abweichungen der einzelnen nor mierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve gewichtet wer den, anhand der auftretenden gewichteten Fehler der Test messungen eine für die jeweilige Probenart charakteristi sche Grenze für den gewichteten Fehler ermittelt wird und die erzielten Ergebnisse gespeichert werden (Anspruch 3).

Eine solche autodidaktische Lernfähigkeit der erfin dungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht auch und gerade dem technischen Laien eine problemlose Anpassung an bzw. Erwei terung des gewünschten möglichen Anwendungsbereichs. Ins besondere besteht die Möglichkeit, beispielsweise bei der Entfernung eines Tumors zunächst das konkret gemeinte Gewe be im "sicheren" Bereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Lernmodus beizubringen, um dann eine möglichst exakte Abtragung von Randbereichen durchführen zu können.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung der erfindungs gemäßen Vorrichtung gibt die Ausgabeeinrichtung für die gewonnene Information selbige auch oder ausschließlich als Steuersignale für ein oder mehrere Geräte zur Behandlung der Probe aus und an die Geräte weiter (Anspruch 4). Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vor richtung gemäß Anspruch 4 ist die Einrichtung zur Erzeugung und gezielten Weiterleitung elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe als Laser zur Behandlung oder Abtragung von Gewebe oder anderen Materialien ausgebildet, und die Analyseeinrichtung wandelt die Identifikationen bzw. Analysen der jeweils betroffenen Probe in Steuersi gnale für den entsprechenden Weiterbetrieb des Lasers um (Anspruch 5).

Der Gegenstand des Anspruches 4 oder 5 erlaubt beispiels weise eine weitgehende Automatisierung operativer Eingrif fe. So besteht etwa die Möglichkeit einen Laser geradlinig über einen Gewebekomplex zu steuern und vorher festzulegen, daß dabei nur eine bestimmte Gewebeart abgetragen wird. Zu diesem Zweck kann der Laser so gesteuert werden, daß er selbständig zwischen schwacher, zur Analyse ausreichender Stärke und zum Abtragen von Gewebe benötigter Stärke hin- und herschaltet. Durch eine derart präzise Abtragung von Geweben wird z. B. ein enormer Fortschritt im Bereich der minimal invasiven Chirurgie erreicht. Beispielsweise im Bereich der Angioplastie und anderen wichtigen medizini schen Bereichen besteht dringender Bedarf nach solchen Möglichkeiten. In hochsterilen Bereichen könnten Bakterien erkannt und durch den Laser abgetötet werden. Der Flexibi lität der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind schließlich auch außerhalb des Bereichs der Medizin keine Grenzen gesetzt. Denkbar wäre beispielsweise eine automatisierte Mülltrennung, die auf diesem Verfahren ba siert, oder eine Automatisierung der Fleischbeschauung in Schlachthöfen, etc., wobei z. B. jeweils Geräte zur Aussor tierung unerwünschter Proben gesteuert werden könnten.

Nachstehend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele und der beigefügten schematischen Zeichnung noch näher erläutert. Dabei wird wiederum - um eine anschau liche Darstellung zu gewährleisten - als Quelle elektroma gnetischer Strahlung ein Laser verwendet und das laserindu zierte Fluoreszenzspektrum ausgewertet. Auf die selbstver ständlich vorhandene prinzipielle Möglichkeit, auch andere elektromagnetische Strahlungen, etwa Maser, lichtemittie rende Dioden, Hochdrucklampen oder hochgradig parallel strahlende Lampen, im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrich tung zu verwenden, sofern dies zweckdienlich sein sollte, wurde bereits verwiesen. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform mit einem gepulsten Laser;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform mit einem ungepulsten Laser;

Fig. 3 eine der ersten Ausführungsform entsprechende dritte Ausführungsform, in welcher ein Gerät zur Behandlung der Probe gesteuert wird; und

Fig. 4 eine der ersten Ausführungsform entsprechende vierte Ausführungsform, die den Laser steuert.

In den Fig. 1-4 wird ein Laserstrahl im Block 1 erzeugt und über einen Ausgang 3 in einen Leiter für elektromagnetische Wellen, hier ein erster Lichtleiter 4 in Form einer Glas faser, eingespeist. Dessen Ausgang 5 ist der derart ange legt, daß er das Bestrahlen einer Probe 6 mit dem Laser strahl ermöglicht. Das Rückstrahllicht, im vorliegenden Beispiel das Fluoreszenzlicht, wird in Fig. 1 über den Lichtleiterausgang 5 und den Lichtleiter 4 in den Laseraus gang 3 reflektiert und, bevor es den Block 1 erreicht, durch einen Strahlteiler 2 über einen zweiten Lichtleiter 7 in ein rückstrahlspektroskopisches System 8 geleitet. Dort wird das Fluoreszenzspektrum ermittelt und digitali siert. Um Störungen des Fluoreszenzlichts durch Laserrefle xionen zu vermeiden, wird der Laserstrahl durch eine "Trig ger"-Einrichtung 11 derart gepulst, daß das Wegstück zwi schen dem Strahlungsteiler 2 und dem Lichtleiterausgang 5 nie gleichzeitig von Laser- und Fluoreszenzlicht durchwan dert wird. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, daß der Durchmesser des Lichtleiterausgangs 5 minimiert werden kann. Sofern dies keine Bedeutung hat oder wenn ein unun terbrochener Laserstrahl gewünscht wird, ohne daß Störef fekte auftreten und berücksichtigt werden müssen, können wie in Fig. 2 eine oder mehrere dritte Lichtleiter 12 vor gesehen sein, die das Fluoreszenzlicht direkt an das rück strahlspektroskopische System 8 weiterleiten.

In den Fig. 1-4 gibt das rückstrahlspektroskopische System 8 das digitalisierte Spektrum an eine Analyseeinrichtung 9, beispielsweise eine Einrichtung zur Datenverarbeitung, zur Auswertung weiter. Im folgenden werden zunächst die Abläufe dieser Auswertung und die des Lernvorgangs schematisch dargestellt. Im Anschluß wird anhand einer konkreten Ver suchsdurchführung eine mögliche konkrete mathematische Aus formulierung hinzugefügt.

Im ersten Schritt des Auswertevorgangs wird das eingegange ne Spektrum normiert. Eine geeignete Form der Normierung ist hierbei die Flächennormierung. Sodann wird das normier te Spektrum mit den vorhandenen und in gleicher Weise nor mierten Mittelwertkurven verglichen. Zu diesem Zweck wird jeweils die Abstandkurve des Spektrums von der Mittelwert kurve berechnet (diese gibt zu jeder Wellenlänge den Ab stand, und zwar vorzugsweise den relativen Abstand, alter nativ aber auch beispielsweise den absoluten Abstand zwi schen gemessenen Spektrum und Mittelwertkurve an), und im Anschluß anhand der zur jeweiligen Mittelwertkurve gehöri gen Wichtungskurve der gewichtete Fehler des Meßspektrums gegenüber der Mittelwertkurve ermittelt. Dabei erhält man den gewichteten Fehler, indem man die jeweilige Abstandkur ve mit der entsprechenden Wichtungskurve multipliziert. Sodann wird aus der Lage der gewichteten Fehler relativ zu den für die einzelnen Probenarten charakteristischen Fehler grenzen festgestellt, welcher Probenart die untersuchte Probe entspricht (oder ob sie keiner der erfaßten Proben arten entspricht). Dabei wurde im Versuch schon bei stati stisch schlechten (nur auf jeweils zehn Testmessungen ba sierenden) Mittelwertkurven eine Wahrscheinlichkeit der fehlerfreien Zuordnung von etwa 90% erreicht. Die so gewon nen Daten (Gewebeart, Zustand des Gewebes, etc.) werden mit Hilfe einer Ausgabeeinrichtung 10, wie einem Monitor oder einer akustischen Anlage, dem Behandler mitgeteilt. Dabei können beispielsweise Fachwörter oder Symbole ver wendet werden.

Um eine Ausführungsform gemäß Fig. 1 oder 2 im Lernmodus zu verwenden, wird die Analyseeinrichtung 9 über ein Umschal temittel auf den Lernmodus und eine Eingabemöglichkeit für die gewünschten Kennzeichen für die einzugebenden Proben umgeschaltet. Der eigentliche Lernvorgang geschieht nach folgendem Ablauf: An bekannten Proben werden Testmessungen durchgeführt und die dazugehörigen Kennzeichen für die jeweilige Probenart eingegeben. Die resultierenden Fluo reszenzspektren werden normiert. Aus allen zu einer Proben art gehörigen normierten Spektren wird eine Mittelwertkurve gebildet. Sodann werden vorzugsweise die Standardabwei chungskurven - unter Berücksichtigung der relativen Abstän de - zu den jeweiligen Mittelwertkurven berechnet. Aus den so erhaltenen Abweichungskurven werden Wichtungskurven ermittelt. Eine besonders geeignete Wichtung ist hierbei proportional zum Quadrat des Abstandes. Aus der Wichtungs kurve und der Standardabweichungskurve werden die zugehöri gen gewichteten Fehler berechnet. Aus der Lage der gewich teten Fehler wird eine untere Fehlergrenze etabliert. Ein geeignetes Kriterium hierfür besteht beispielsweise darin, einen oder wenige (relativ zur Anzahl der Testmessungen x%) "Ausreißer" zuzulassen, und den nächstfolgenden gewichteten Fehler als charakteristische Fehlergrenze festzusetzen. Die so gewonnenen Daten werden automatisch in der Analyseein richtung 9 gespeichert und können mit den üblichen Daten übertragungsmitteln beliebig auf andere Einrichtungen zur Datenverarbeitung übertragen werden.

Zur Darstellung des Verfahrens im Besonderen wird eine konkrete Versuchsdurchführung dargestellt:

Als Testobjekte wurden Kiefergelenkproben von frisch geschlachteten Schweinen herangezogen. Ziel war es, sechs verschiedene Gewebearten zu unterscheiden. Es waren die Muskel, Diskus, Kapsel, Spongiosa, Cortikalis und Knorpel.

Versuchsbeschreibung . . . Excimer Laser, 308 nm, 110 ns, 140 milli Joule

Es wurden 60 Meßkurven aufgenommen, also pro Gewebeart 10. Alle 60 Kurven wurden normiert, dann wurden, mit Hilfe dieser Normkurven, die 10 charakteristischen Mittelwertkurven für die verschiedenen Gewebe ermittelt.

Im nächsten Schritt wurden zu diesen Mittelwertkurven die bezogenen Standardabweichungskurven errechnet. Dies ergab für jedes Testgewebe eine Abweichungskurve. Mit der Abweichungskurve konnte die Wichtungsfunktion ermittelt werden.

Dabei wurde die Wichtung proportional zum Quadrat des Abstandes vorgenommen:

mit i = 1 . . . 6; j = 1 . . . 10

Wird die bezogene Standardabweichung

größer als ε, gilt

w_i(λ) = 0

Jetzt wurden die gewichteten Fehler berechnet:

Damit ergeben sich für die sechs Gewebearten je zehn gewichtete Fehler. Aus der Lage der Fehler kann man eine untere Fehlergrenze etablieren. In dem hier gerechneten Fall wurde gesagt: Ein Ausreißer ist erlaubt, d. h. der zweitgrößte Fehler wurde zur Fehlergrenze gemacht.

Der Test lief dann wie folgt ab:
Eine zu prüfende Kurve wurde eingelesen und normiert. Dann wurden für die Kurve alle sechs gewichteten Fehler berechnet:

wobei G(i) der gewichtete Fehler bezüglich Objekt i ist, und g(λ) die normierte zu prüfende Kurve.

Aus der Lage der gewichteten Fehler relativ zu den Fehlergrenzen F_i konnte dann mit etwa 90prozentiger Sicherheit ermittelt werden, welches Gewebe vorlag. Das bedeutet, daß das Gewebe zu 10 Prozent nicht erkannt wurde, obwohl es vorlag, und das andersherum das Gewebe mit 10 Prozent Wahrscheinlichkeit fälschlicherweise für ein anderes gehalten wurde.

Dreidimensional

Wenn man gleichzeitig drei Dimensionen berücksichtigt, nämlich die Intensität, die Wellenlänge und die zeitliche Entwicklung des Rückstrahlspektrums, dann sind die folgenden Änderungen erforderlich. Dabei werden die Wichtungen, die bezogenen Abweichungen usw. als Flächen über der Wellenlänge und der Zeit dargestellt. Die Formeln haben dann dieselbe Gestalt wie oben - nur, daß als weitere Abhängigkeit die Zeit vorkommt.

Die Formeln im einzelnen:
Die Wichtung wird zu:

Die gewichteten Fehler der Testgewebe berechnen sich zu:

Damit lassen sich wieder die charakteristischen Fehlergrenzen F_i berechnen, die dann wieder mit den gewichteten Fehlern einer unbekannten Probe bzgl. eines zu prüfenden Objekts verglichen werden. Diese gewichteten Fehler G(i) berechnen sich wie folgt:

Damit läßt sich auch der zeitliche Einfluß bei der Fluoreszenzuntersuchung als Information für die Mustererkennung einbeziehen.

f_ÿ - Normierte Meßkurve einer Eichprobe (i: Objektnummer)
g_λ - Normierte Meßkurve einer Probe
f_mi - Mittelwertkurve von Eichobjekt i
Δf_ÿ - (f_ÿ-f_mi)
w_i(λ) - Wichtkurve von Objekt i
F_i - Fehlergrenze bzgl. Objekt i
G(i) - gewichtete Fehler aus g(λ) bzgl. Objekt i
ε - Signifikanzschranke (0,05)
λ - Wellenlänge
t - Zeit
j - Nummer der Eichproben eines Objekts i
i - Nummer des Objekts

In Fig. 3 bzw. 4 wird eine Ausführungsform gemäß Fig. 1 dargestellt, die zur automatischen Steuerung eines Gerätes 13 zur Behandlung der Probe 6 bzw. zur Steuerung des die Probe untersuchenden und behandelnden Lasers 1 über eine Rückverbindung 14 verwendet wird. Dabei können das oder die Geräte 13 über die Leitung 15 beispielsweise zur mechani schen, aber gleichwohl gezielten Abtragung von Materialien oder zum gezielten Aussortieren unerwünschter Materialien beispielsweise bei der Mülltrennung angelegt sein. Jedes beliebige Gerät 13 erhält somit durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein visuelles Wahrnehmungsvermögen verbunden mit einer entsprechenden Reaktionsfähigkeit. Im Falle der Selbststeuerung des Lasers 1 besteht beispielsweise die bereits erwähnte Möglichkeit, zwischen der reinen Analyse dienlicher, schwacher Laserstärke, und zugleich der Abtra gung dienlicher, großer Laserstärke hin- und herzuschalten. Auf diese Weise können beispielsweise in der Medizin unge wollte Verletzungen versehentlich vom Laser getroffener Gewebe vermieden und somit eine erheblich unkompliziertere Handhabung des Lasers erreicht bzw. eine Automatisierung des Eingriffs ermöglicht werden. Für diese Zwecke ist es notwendig, daß die Analyseeinrichtung die gewonnenen Daten in entsprechende Steuerungssignale umwandelt und an die zu steuernden Geräte übermittelt.

Claims

1. Rückstrahlspektroskopische Vorrichtung, mit

a) einer Einrichtung zur Erzeugung (1) und ge zielten Weiterleitung (3-5) elektromagneti scher Wellen auf eine zu untersuchende Probe (6);
b) Mitteln (8) zur Aufnahme und Digitalisierung des resultierenden Rückstrahlspektrums; und
c) einer Analyseeinrichtung (9), die derart ausgelegt ist, daß sie
c.1) einen Zugriff hat auf c.1.1) eine oder mehrere spezi fische Mittelwertkurven, jeweils ge bildet aus normierten Rück strahlspektren bekannter gleichartiger Proben;
c.1.2) eine oder mehrere zugehörige, auf den Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve basierende Wichtungskurven; und
c.1.3) dazu gehörige, für die jeweilige Pro benart charakteristische Grenzen für gewichtete Fehler;
c.2) die ihr von dem Aufnahme-/Digitalisie rungsmittel (8) zugeführten digitalisierten Spektren wie folgt auswertet:
c.2.1) sie normiert die ihr zugeführten Spek tren in gleicher Weise, wie bei den ihr zur Verfügung stehenden spezifi schen Mittelwertkurven geschehen, und vergleicht sie mit den vorhandenen Mittelwertkurven;
c.2.2) sie wichtet etwaige Abweichungen von den zur Verfügung stehenden Mittel wertkurven mit der jeweiligen Wich tungskurve; und
c.2.3) sie stellt fest, ob die gewichtete Ab weichung innerhalb oder außerhalb der jeweils dazugehörigen charakteristi schen Grenze für gewichtete Fehler liegt und ob somit das digitalisierte Spektrum der zugehörigen Probenart zu zuordnen ist oder nicht; und
c.3) die gewonnene Information über eine Ausgabe einrichtung (10) ausgibt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Ana lyseeinrichtung (9) für einen Lernmodus ausgelegt ist und über eine Eingabemöglichkeit für die ge wünschten Kennzeichen der zu lernenden Probenar ten und einen Speicher für die gelernten Proben arten verfügt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher im Lern modus durch Testmessungen an bekannten Proben die benötigten Mittelwert- und Wichtungskurven, sowie die dazugehörigen, für die jeweilige Probenart charakteristischen Grenzen für den gewichteten Fehler von der Analyseeinrichtung (9) ermittelt werden, indem

a) die jeweils zu einer Probenart gehörigen Testspektren normiert, gemittelt und anhand der Abweichungen der einzelnen normierten Spektren von ihrer Mittelwertkurve gewichtet werden;
b) anhand der auftretenden gewichteten Fehler der Testmessungen eine für die jeweilige Probenart charakteristische Grenze für den gewichteten Fehler ermittelt wird;
c) die erzielten Ergebnisse gespeichert werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü che, bei welcher die Ausgabeeinrichtung (10) die gewonnene Information auch oder ausschließlich als Steuersignale für ein oder mehrere Geräte (13) zur Behandlung der Probe (6) aus- und an die Geräte (13) weitergibt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Ein richtung zur Erzeugung (1) und gezielten Weiter leitung (3-5) elektromagnetischer Wellen auf eine zu untersuchende Probe (6) als Laser zur Behand lung oder Abtragung von Gewebe oder anderen Mate rialien ausgebildet ist, und die Analyseeinrich tung (9) die Identifikationen bzw. Analysen der jeweils betroffenen Probe (6) in Steuersignale für den entsprechenden Weiterbetrieb des Lasers (1) umwandelt.