DE69627477T2

DE69627477T2 - Optische koppelvorrichtung zur in-vivo untersuchung von biologischen geweben

Info

Publication number: DE69627477T2
Application number: DE69627477T
Authority: DE
Inventors: Britton Chance
Original assignee: Non Invasive Technology Inc
Current assignee: Non Invasive Technology Inc
Priority date: 1995-01-03
Filing date: 1996-01-02
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2016-01-03
Also published as: WO1996020638A1; US6526309B1; DE69627477D1; EP0906052A4; US20090030327A1; US20060241502A1; US5987351A; CA2209240C; EP0808124A4; US20040054290A1; CA2209240A1; CN1169665A; CN1230118C; JP3725156B2; JPH10511875A; EP0906052B1; EP0906052A1; WO1997020494A1; EP0808124B1; EP0808124A1

Description

Hintergrund der Erfindung
Spektralphotometer mit kontinuierlicher Welle (CW-Spektralphotometer) haben ein breites Anwendungsgebiet gefunden zur in vivo Bestimmung einer Konzentration eines optisch absorbierenden Pigments (z. B. Hämoglobin, Oxihämoglobin) in biologischem Gewebe. Die CW-Spektralphotometer leiten beispielsweise bei der Puls-Oximetrie Licht in einen Finger oder ein Ohrläppchen ein, um die Lichtdämpfung zu messen und dann die Konzentration auszuwerten, basierend auf der Beer-Lambert-Gleichung oder der modifizierten Beer-Lambert-Absorptionsgleichung. Die Beer-Lambert-Gleichung (1) beschreibt die Beziehung zwischen der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils (C), dem Auslöschungskoeffizienten (ε), der Photonenmigrationspfadlänge <L> und der gedämpften Lichtintensität (I/I₀).
Jedoch birgt die direkte Anwendung der Beer-Lambert-Gleichung mehrere Probleme. Da die Gewebestruktur und die Physiologie signifikant variieren, variiert auch die optische Pfadlänge wandernder Photonen signifikant und kann nicht einfach bestimmt werden aus der geometrischen Position einer Quelle und eines Detektors. Zusätzlich ist die Photonenmigrationspfadlänge selbst eine Funktion der relativen Konzentration absorbierender Bestandteile. Infolgedessen wird beispielsweise die Pfadlänge durch ein Organ mit einer hohen Blut-Hämoglobin-Konzentration unterschiedlich sein von selbiger bei einer niedrigen Blut-Hämoglobin-Konzentration. Ferner ist die Pfadlänge häufig abhängig von der Wellenlänge des Lichts, da der Absorptionskoeffizient vieler Gewebebestandteile Wellenlängen-abhängig ist. Eine Lösung dieses Problems besteht darin, ε, C, und <L> gleichzeitig zu bestimmen, aber dies ist nicht möglich mit den bisher bekannten Puls-Oximetern.
Ferner ergibt für quantitative Messung von Gewebe mit einem geringen Volumen (z. B. bei einem Finger) das Entkommen von Photonen einen signifikanten Fehler, da die von dem Gewebe entkommenen Photonen als absorbiert gezählt werden. Andere Fehler können auftreten aufgrund nicht ordnungsgemäßer Kopplung von Licht mit dem untersuchten Gewebe oder aufgrund von Veränderungen der relativen Geometrie der Eingabe- und Detektieranschlüsse.
Zeitaufgelöste Spektralphotometer (TRS-Puls) und phasenmodulierte Spektralphotometer (PMS) können die durchschnittliche Pfadlänge wandernder Photonen direkt messen, aber die richtige Quantisierung der zeitaufgelösten oder frequenzaufgelösten Spektren kann nur durchgeführt werden, wenn die Spektren mit einem relativ großen Abstand zwischen Quelle und Detektor gesammelt bzw. aufgenommen werden. Dieser Abstand ist schwer zu erreichen für ein kleines Volumen von Gewebe, wie beispielsweise das Ohrläppchen, ein Finger oder Biopsie-Gewebe.
Daher besteht ein Bedarf für einen optischen Koppler, der mit einem spektralphotometrischen System verwendet wird, sowie für ein Verfahren, dass quantitativ ein relativ kleines Volumen von biologischem Gewebe untersucht.
US-A-5,090,415 offenbart eine Untersuchungsvorrichtung zum Untersuchen eines interessierenden Objekts anhand von Transmissions- bzw. Übertragungsphotometrie. Die Vorrichtung weist Lichtabgabemittel und Lichtaufnahmemittel auf. Die Lichtabgabemittel sind konstruiert zum aufeinanderfolgenden Abgeben eines auftreffenden Lichtstrahls auf das Objekt an einer Auftreffstelle. Die Lichtaufnahmemittel sind konstruiert zur Aufnahme, synchron mit der Abgabe des auftreffenden Lichtstrahls, von in dem Objekt gestreuten Lichtstrahlen, und zwar von einer Vielzahl von Ausgabestellen, als Lichtintensitätsdaten. Die Vorrichtung führt eine mathematische Verarbeitung der Lichtintensitätsdaten durch für jede Abgabe des auftreffenden Lichtstrahls, um Absorptionsdaten zu erhalten, die eine Lichtabsorptionsmenge an der Auftreffstelle repräsentieren.
US-A-4,321,930 offenbart eine Vorrichtung zum Überwachen von Metabolismus in Körperorganen. Die Vorrichtung umfasst eine Befestigungsstruktur, die an einem ausgewählten Teil des menschlichen Körpers befestigt wird, z. B. dem Kopf, einem Glied oder dem Oberkörper, und umfasst Lichtquellen- und Lichtdetektiermittel. Die Lichtquellen- und Lichtdetektiermittel sind geeignet zur Assoziierung mit spektralphotometrischen Schaltungen für eine in situ und in vivo Überwachung von örtlichem Metabolismus im Bereich des Körpers, wo die Struktur angebracht ist.
Die PCT Veröffentlichung WO 94/16615 offenbart ein System zur Untersuchung eines Volumens von biologischem Gewebe unter Verwendung von sichtbarer oder Infrarotstrahlung. Das System umfasst ein Spektralphotometer, ein optisches Medium mit auswählbaren Streu- und Absorptionseigenschaften und einen Prozessor zum Bestimmen einer physiologischen Eigenschaft des untersuchten Gewebes. Das Spektralphotometer umfasst eine Lichtquelle zum Einführen von Strahlung an einem optischen Eingabeanschluss und einen Detektor zum Detektieren von Strahlung, die durch einen Pfad von dem Eingabeanschluss zu einem optischen Detektieranschluss gewandert ist. Das biologische Gewebe ist im Photonenmigrationspfad innerhalb des optischen Mediums angeordnet, um einen optischen Gewebe-Medium-Pfad zu bilden. Das optische Medium ist geeignet, das Freikommen von Photonen von dem Gewebe im Wesentlichen zu begrenzen. Der Prozessor bestimmt Gewebeeigenschaften basierend auf der detektierten optischen Eigenschaft des optischen Gewebe-Medium-Pfads und der auswählbaren Eigenschaften des optischen Mediums.
Die EP-Veröffentlichung EP 0 290 279 A1 offenbart eine Untersuchungsvorrichtung zum Messen von Oxidierung bzw. Sauerstoffanreicherung. Die Untersuchungsvorrichtung misst die Oxidierung eines Objekts durch Nahe-Infrarot- bzw. NIR-Lichtübertragungs-Spektralphotometrie. Die Untersuchungsvorrichtung weist Folgendes auf: Lichtquellenmittel; eine beleuchtungsseitige Vorrichtung zum Aufbringen von Licht auf das Objekt, eine detektionsseitige Vorrichtung zum Empfangen von Licht, das durch das Objekt hindurch übertragen wurde, eine Detetkiereinrichtung für übertragenes Licht, um das durch das Objekt übertragene Licht zu detektieren und ein Computersystem zum Steuern der Vorrichtung (1) und zum Berechnen seiner Oxidierung bzw. Sauerstoffanreicherung. Um vor der Oxidierungsmessung die Untersuchungsvorrichtung selbst zu inspizieren bzw. zu überprüfen, besitzen die beleuchtungsseitige Vorrichtung und die detektionsseitige Vorrichtung derartige Strukturen, die gestatten, dass sie in einer Art und Weise zusammengebracht werden, dass Licht direkt von einer zur anderen übertragen wird. Während der Messung wird die Untersuchungsvorrichtung einschließlich ihrer Lichtverstärkungsröhre regelmäßig inspiziert unter Verwendung einer separaten Inspektionslichtquelle.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein optisches Kopplungssystem gerichtet, das ein Spektralphotometer aufweist, welches mindestens eine optische Quelle und einen Detektor umfasst. Das Kopplungssystem umfasst eine Quellensonde und eine Detektiersonde. Die Quellensonde umfasst mindestens zwei optische Fasern, deren entfernte bzw. distale Enden direkt am Gewebe angeordnet werden können. Jedes distale Ende bildet einen Eingabeanschluss, welcher konstruiert ist zum Einführen von optischer Strahlung in das untersuchte Gewebe. Die Fasern besitzen nahe gelegene bzw. proximate Enden, die, so konstruiert und angeordnet sind, dass sie mindestens einen Kopplungsanschluss bilden zum Empfang von Strahlung von mindestens einer Quelle und zum gleichzeitigen Einführen von Strahlung in das untersuchte Gewebe von mindestens zwei Eingangsanschlüssen an den distalen Enden. Die Lichtquelle und der Kopplungsanschluss sind in zusammenarbeitender Weise angeordnet zum gleichzeitigen Einführen von Strahlung mit einem bekannten, sich zeitlich verändernden Muster. Die Detektiersonde umfasst mindestens eine optische Faser mit einem entfernt gelegenen bzw. distalen Ende, welches direkt am Gewebe positionierbar ist. Das distale Ende bildet einen Detektieranschluss, der konstruiert ist zum Empfangen von Strahlung, die in dem untersuchten Gewebe gewandert ist. Die Faser besitzt ein nahe gelegenes oder proximales Ende, welches derart konstruiert und angeordnet ist, dass es mindestens einen Kopplungsanschluss bildet zur Weitergabe der detektierten Strahlung an den optischen Detektor.
Das Spektralphotometer ist ein Spektralphotometer mit kontinuierlicher Welle (CWS), wie es in den PCT-Anmeldungen WO 92/20273 und WO 96/16592 beschrieben ist, eine phasenmodulierte spektroskopische Einheit (PMS), wie sie beschrieben ist in den U.S. Patenten 4,972,331 oder 5,187,672 oder in der PCT- Anmeldung WO 94/21173, eine zeitaufgelöste spektroskopische Einheit (TRS), wie sie beschrieben ist in den U.S. Patenten 5,119,815 oder 5,386,827 oder in der PCT-Anmeldung WO 94/22361, oder ein Phasenanordnungssystem bzw. Phasen-Array-System, wie es in WO 93/25145 beschrieben ist.
Das System führt eine einzige Messung oder eine kontinuierliche, zeitabhängige Überwachung der ausgewählten physiologischen Eigenschaft durch.
Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt ist die Erfindung ein optisches Kopplungssystem zum nicht-invasiven Überwachen eines Bereichs von lebendigem Gewebe. Das Kopplungssystem umfasst mindestens zwei Erregungsanschlüsse (Eingabeanschlüsse), die am Gewebe positionierbar sind und in der Lage sind, optische Strahlung in das überwachte Gewebe einzuführen, einen ersten Lichtleiter, der einen Erregungskanal zum Übertragen der Strahlung von einer Quelle zu den Erregungsanschlüssen definiert, und einen Detektieranschluss, welcher am Gewebe positionierbar ist und in der Lage ist, Strahlung zu empfangen, die in dem überwachten Gewebe von den Erregungsanschlüssen zu dem Detektieranschluss gewandert ist. Der Detektieranschluss besitzt eine Detektierfläche, die größer ist als eine Eingabefläche der Erregungsanschlüsse. Mit dem Detektieranschluss verbunden ist ein Detektierlichtleiter zum Übertragen der Strahlung von dem Detektieranschluss an einen optischen Detektor. Das Kopplungssystem umfasst auch ein optisch passendes Strömungsmittel bzw. Fluid, das in einer flexiblen, optisch transparenten Tasche enthalten ist und teilweise um das überwachte Gewebe und die Erregungs- und Detektieranschlüsse herum angeordnet ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieses Aspekts der Erfindung umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale.
Das optische Kopplungssystem kann mehrere Erregungsanschlüsse (Eingabeanschlüsse)umfassen, die am Gewebe positionierbar sind und in der Lage sind, Strahlung der Quelle in das überwachte Gewebe einzuführen, sowie mehrfache Lichtleiter umfassen, die jeweils einen Erregungskanal zum Übertragen der Strahlung von der Quelle zu dem entsprechenden Erregungsanschluss definieren.
Das optische Kopplungssystem kann auch mehrere Detektieranschlüsse umfassen, die am Gewebe positionierbar sind und in der Lage sind, Strahlung zu empfangen, die in dem überwachten Gewebe gewandert ist, so wie mehrere Detektierlichtleiter umfassen, die jeweils mit dem entsprechenden Detektieranschluss verbunden sind zum Übertragen der Strahlung von dem Detektieranschluss an mindestens einen optischen Detektor.
Das optisch passende Fluid kann teilweise zwischen den Anschlüssen und dem überwachten Gewebe angeordnet sein. Das optisch passende Fluid kann bekannte Streu- oder Absorptionseigenschaften besitzen.
Das optische Kopplungssystem kann ferner Mittel zum Ändern der Streu- oder Absorptionseigenschaften des optisch passenden Fluids sowie Mittel zum Kalibrieren des Kopplungssystem durch steuerbares Ändern der Streu- oder Absorptionseigenschaften des optisch passenden Fluids umfassen.
Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt ist die Erfindung ein optischer Koppler für in vivo-Untersuchung von biologischem Gewebe. Der optische Koppler umfasst mindestens zwei optische Eingabeanschlüsse mit einer ausgewählten Eingabefläche, die auf oder nahe dem untersuchten Gewebe positionierbar sind, Lichtleiter, welche mit den optischen Eingabeanschlüssen optisch gekoppelt sind und konstruiert sind zum Übertragen von optischer Strahlung mit sichtbarer oder infraroter Wellenlänge von einer Quelle zu den optischen Eingabeanschlüssen, wobei die optischen Eingabeanschlüsse konstruiert und angeordnet sind zum Einführen der optischen Strahlung in das untersuchte Gewebe, und einen optischen Detektieranschluss mit einer ausgewählten Detektierfläche, die auf oder nahem dem untersuchten Gewebe positionierbar ist. Der Detektieranschluss ist konstruiert und aufgebaut zum Empfangen von Strahlung, die in dem untersuchten Gewebe von dem Eingabeanschluss zu dem Detektieranschluss gewandert ist. Mit dem Detektieranschluss ist ein Detektierlichtleiter optisch gekoppelt, der konstruiert ist zum Übertragen der Strahlung von dem Detektieranschluss zu einem optischen Detektor. Der optische Koppler umfasst auch ein optisches Medium, das zumindest teilweise um das untersuchte Gewebe und die Eingabeund Detektieranschlüsse herum angeordnet ist und konstruiert ist zum Begrenzen des Entkommens von Photonen oder um Photonen zu berücksichtigen, die von dem untersuchten Gewebe entkommen sind.
Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt ist die Erfindung ein optischer Koppler für in vivo-Untersuchung von biologischem Gewebe. Der optische Koppler umfasst mindestens zwei optische Eingabeanschlüsse mit einer ausgewählten Eingabefläche, die zu dem untersuchten Gewebe hin gerichtet ist, einen optischen Detektieranschluss mit einer ausgewählten Detektierfläche, die zu dem untersuchten Gewebe hin gerichtet ist, und ein optisches Medium, das zumindest teilweise um das untersuchte Gewebe und die Eingabe- und Detektieranschlüsse herum angeordnet ist. Das optische Medium ist auch zwischen dem Gewebe und der Eingabefläche der Eingabeanschlüsse sowie zwischen dem Gewebe und der Detektierfläche des Detektieranschlusses angeordnet, und das optische Gewebe zeigt bekannte Streu- oder Absorptionseigenschaften. Mit dem Eingabeanschluss optisch gekoppelt ist ein erster Lichtleiter, der konstruiert ist zum Übertragen optischer Strahlung mit einer sichtbaren oder infraroten Wellenlänge von einer Quelle zu den optischen Eingabeanschlüssen, die konstruiert und angeordnet sind, um die Strahlung in das optische Medium einzuführen. Der optische Detektieranschluss ist konstruiert und angeordnet zum Empfang von Strahlung, die in dem untersuchten Gewebe und dem optischen Medium von dem Eingabeanschluss zu dem Detektieranschluss gewandert ist. Mit dem Detektieranschluss optisch gekoppelt ist ein Detektierlichtleiter, der konstruiert ist zum Übertragen der Strahlung von dem Detektieranschluss zu einem optischen Detektor.
Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt ist die Erfindung ein optisches Kopplungssystem zum nicht-invasiven Überwachen eines Bereichs von biologischem Gewebe. Das Kopplungssystem umfasst eine Quellensonde aus mindestens zwei optischen Fasern, deren entfernt gelegene bzw. distale Enden direkt am Gewebe positionierbar sind. Jedes distale Ende bildet einen Eingabe anschluss, der konstruiert ist zum Einführen optischer Strahlung in das untersuchte Gewebe. Die Fasern besitzen nahe gelegene bzw. proximate Enden, die konstruiert und angeordnet sind, um mindestens einen Kopplungsanschluss zum Empfang der Strahlung von einer Quelle zu bilden. Das Kopplungssystem umfasst auch einen Detektiersonde aus mindestens einer optischen Faser, deren entfernt gelegenes bzw. distales Ende direkt am Gewebe positionierbar ist. Das distale Ende bildet einen Detektieranschluss, welcher konstruiert ist zum Empfangen von Strahlung, die in dem untersuchten Gewebe gewandert ist. Die Faser besitzt ein nahe gelegenes bzw. proximales Ende, das konstruiert und angeordnet ist, um mindestens einen Kopplungsanschluss zum Übertragen der detektierten Strahlung an einen optischen Detektor zu bilden.
Die optischen Fasern können am Eingabeanschluss oder am Detektieranschluss ein optisch passendes Medium umfassen, das angeordnet ist, um eine gewünschte Kopplung der Strahlung zu erreichen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieses Aspekts der Erfindung umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale.
Das optische Medium kann Absorptions- oder Streueigenschaften besitzen, die im Wesentlichen passend sind zu den Absorptions- oder Streueigenschaften des untersuchten Gewebes.
Der optische Koppler kann ferner ein optisches System umfassen, das so konstruiert und angeordnet ist, dass es in steuerbarer Weise die Absorptions- oder Streueigenschaften des optischen Mediums ändert. Das System kann in der Lage sein, die Absorptions- oder Streueigenschaften des optischen Mediums im Wesentlichen an die Absorptions- oder Streueigenschaften des untersuchten Gewebes anzupassen.
Der optische Koppler kann ferner einen zweiten Eingabeanschluss mit einer ausgewählten Eingabefläche sowie einen Lichtleiter umfassen, welcher mit dem zweiten Eingabeanschluss optisch gekoppelt ist. Der Detektieranschluss kann symmetrisch bezüglich des ersten Eingabeanschlusses und des zweiten Eingabeanschlusses angeordnet sein. Der Detektieranschluss kann in einer Übertragungsgeometrie oder in einer Rückstreugeometrie bezüglich der Eingabeanschlüsse angeordnet sein.
Der optische Koppler kann bewegliche optische Anschlüsse bezüglich des untersuchten Gewebes aufnehmen.
Der optische Koppler kann ferner mehrfache Eingabeanschlüsse und mehrere Lichtleiter umfassen, die mit den entsprechenden Eingabeanschlüssen optisch gekoppelt sind. Die mehrfachen Eingabeanschlüsse können angeordnet sein, um gleichzeitig Strahlung mit einem bekannten, sich zeitlich ändernden Muster einzuführen, um eine sich ergebende eingeführte Strahlung zu bilden, die einen wesentlichen Photonendichtegradienten in mindestens einer Richtung besitzt. Die mehreren Eingabeanschlüsse können eine eindimensionale oder zweidimensionale Anordnung bilden. Der optische Detektieranschluss kann bezüglich des untersuchten Gewebes an eine andere Stelle bewegbar sein.
Der optische Koppler kann auch mehrere Detektieranschlüsse sowie mehrere Detektierlichtleiterumfassen, die mit den entsprechenden Detektieranschlüssen optisch gekoppelt sind.
Das optische Medium kann aus einem Festkörper, einer Flüssigkeit oder einem Gas bestehen. Das optische Medium kann auch feste Partikel mit einer glatten sphärischen Oberfläche oder Polystyrolschaum umfassen. Das optische Medium kann auch eine Flüssigkeit mit auswählbaren Streu- oder Absorptionseigenschaften umfassen, wie beispielsweise eine Intralipid-Lösung. Das optische Medium kann einen nachgiebigen Feststoff umfassen mit auswählbaren Streu- oder Absorptionseigenschaften.
Der optische Koppler kann einen optischen Detektieranschluss mit einer Detektionsfläche besitzen, die größer ist als die Eingabefläche des optischen Eingabeanschlusses.
Der optische Koppler kann ferner einen Anschluss für das Nadellokalisierungsverfahren umfassen oder kann angeordnet sein für Ultraschalluntersuchung des Gewebes, die gleichzeitig mit der optischen Untersuchung des Gewebes oder danach durchgeführt wird. Der optische Koppler kann ferner einen Satz von MRI-Spulen umfassen, die angeordnet sind zur Durchführung einer MRI-Untersuchung des Gewebes.
Der optische Koppler kann auf einem Endoskop, Katheter, Führungsdraht oder ähnlichem angeordnet sein zum Einführen über eine Körperöffnung oder transkutan zu internem Gewebe. Der optische Koppler ist konstruiert für visuelle und spektroskopische Untersuchung des ausgewählten internen Gewebes. Der Katheter kann einen aufblasbaren Ballon umfassen, der die Eingabe- und Detektieranschlüsse gegen das Gewebe presst, dass für spektroskopische Untersuchungen ausgewählt ist. Der Katheter kann auch ein Biopsie-Zubehör umfassen für eine Biopsieprobenentnahme aus dem Gewebebereich, und zwar vor oder nach der spektroskopischen Untersuchung.
Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt ist die Erfindung ein optischer Koppler für in vivo-Untersuchung von biologischem Gewebe. Der optische Koppler umfasst mindestens zwei optische Eingabeanschlüsse mit einer ersten ausgewählten Fläche, die zu dem untersuchten Gewebe hingerichtet ist, und einer zweiten ausgewählten Fläche, die entgegengesetzt zu der ersten Fläche orientiert ist, und einen optischen Detektieranschluss mit einer ausgewählten Detektionsfläche, die zu dem untersuchten Gewebe hin gerichtet ist. Die Eingabeanschlüsse sind so konstruiert, dass sie einen Lichtstrahl aufnehmen, welcher über die zweite Fläche hinweg gescannt wird, und den Strahl in das Gewebe an der ersten Fläche einzuführen. Der optische Koppler umfasst auch ein optisches Medium, das mindestens teilweise um das untersuchte Gewebe und die Eingabe- und Detektieranschlüsse herum angeordnet ist. Das optische Medium ist auch zwischen dem Gewebe und der Eingabefläche der Eingabeanschlüsse und zwischen dem Gewebe und der Detektionsfläche des Detektieranschlusses angeordnet. Das optische Medium besitzt bekannte Streu- oder Absorptions eigenschaften. Der optische Detektieranschluss ist konstruiert und angeordnet zum Empfang von Strahlung, die in dem untersuchten Gewebe und dem optischen Medium von dem Eingabeanschluss zu dem Detektieranschluss gewandert ist. Mit dem Detektieranschluss optisch gekoppelt ist ein Detektorlichtleiter, der konstruiert ist zum Übertragen der Strahlung von dem Detektieranschluss zu einem optischen Detektor.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele dieses Aspekts der Erfindung umfassen eines oder mehrere der folgenden Merkmale.
Die Detektionsfläche des optischen Detektieranschlusses kann eine Vielzahl von Detektions-Teilflächen umfassen, die an einer bekannten Position der Detektionsfläche angeordnet sind. Jede Detektions-Teilfläche ist konstruiert und angeordnet zum Empfang von Strahlung, die in dem untersuchten Gewebe gewandert ist, und leitet die empfangene Strahlung zu eine Detektor.
Der optische Detektor kann eine Anordnung von Halbleiterdetektoren umfassen, die jeweils Licht von einer entsprechenden Detektions-Teilfläche über den Detektorlichtleiter empfangen. Somit kann ein Zeitprofil der detektierten Strahlung an den individuellen Stellen gemessen werden.
Der Lichtstrahl kann über den Eingabeanschluss hinweg gescannt werden unter Verwendung eines ausgewählten Musters relativ zu einer Detektionssequenz, die über die Detektions-Teilflächen akkumuliert ist. Dann können in Kenntnis der Eingabe- und Detektierstellen der wandernden Photonen durchschnittliche Photonenmigrationspfade berechnet werden.
Im Allgemeinen sieht das optische Kopplungssystem eine exzellente Kopplung von Licht mit dem untersuchten Gewebe vor. Das Kopplungssystem kann auch im Wesentlichen ein Entkommen von Photonen aus der Gewebeoberfläche verhindern und halb-unendliche bzw. semi-infinite Grenzbedingungen für die eingeführte Strahlung erreichen. Ein größeres Volumen des optischen Mediums wird normalerweise verwendet für eine kleine Gewebegröße. Das optische Kopplungssystem erreicht auch präzise eine ausgewählte Geometrie der Eingabeanschlüsse (Erregungsanschlüsse) und der Detektieranschlüsse, und zwar unabhängig von der Form und den Eigenschaften des Gewebes. Die präzise Geometrie ist häufig wichtig für eine ordnungsgemäße Auswertung der Photonenmigrationsmuster, die von der Einheit mit kontinuierlicher Welle (CWS), der Phasenmodulationseinheit, der TRS-Einheit oder der Phasenanordnungseinheit gemessen werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine schematische Ansicht eines spektralphotometrischen Systems zur Untersuchung von Gewebe mit einer relativ kleinen Abmessung.
2 und 2A zeigen unterschiedliche Ansichten eines Zylinders zur Verhinderung des Entkommens von Photonen während spektralphotometrischer Messungen eines Fingers.
2B zeigt einen Satz von Zylindern mit ausgewählten optischen Eigenschaften für eine Finger-Oximetrie.
3 ist eine schematische Ansicht eines Halters für optische Fasern für eine spektralphotometrische Studie bzw. Untersuchung des Kopfes.
4 ist eine Draufsicht auf ein optisches Kopplungssystem zum Überwachen des Oxidierungs-Deoxidierungs-Zustands bzw. Sauerstoffanreicherungs- bzw. -verarmungszustands des Hämoglobins innerhalb des Gehirngewebes einer Person.
4A zeigt ein optisches Kopplungssystem für die Untersuchung des Gehirngewebes unter Verwendung mehrer Eingabe- und Detektieranschlüsse.
5 bis 5C zeigen verschiedene optische Kopplungssysteme für die optische Untersuchung von Brustgewebe.
5D zeigt ein optisches Kopplungssystem mit einer zweidimensionalen Eingabeanordnung, die auch geeignet ist für das Nadellokalisierungsverfahren.
5E und 5F zeigen optische Kopplungssysteme, die geeignet sind für die optische Untersuchung zusammen mit Ultraschall- bzw. Magnetresonanzabbildung (MRI oder Kernspin).
6 zeigt ein optisches Kopplungssystem mit optischen Fenstern, die geeignet sind für ein Scan-System mit einem Anordnungsdetektor.
7 und 7A zeigen ein optisches Kopplungssystem vom „Haarbürsten"-Typ für optische Untersuchung des Gehirns.
8 und 8A zeigen ein optisches Kopplungssystem vom „Haarbürsten"-Typ für optische und MRI-Untersuchung.
9 und 9A zeigen ein Scan-Kopplungssystem, das konstruiert ist für die Untersuchung von Brustgewebe.
10, 10A und 10B zeigen einen optischen Koppler, welcher auf einem Katheter angeordnet ist.
11 und 11A zeigen ein Spektralphotometer, das auf einem Katheter angeordnet ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1 bis 3 zeigen alle nur eine optische Faser, die einen Eingabeanschluss bildet. Diese Ausführungsbeispiele bilden keinen Teil der Erfindung und werden nur aus Gründen der Erläuterung diskutiert.
Bezugnehmend auf 1 wird das Grundprinzip des Betriebs verschiedener optischer Koppler erklärt durch Beschreibung eines Systems 10. Das System 10 zur Untersuchung von biologischem Gewebe mit einem relativ kleinen Volumen umfasst ein optisches Medium 12 mit auswählbaren optischen Eigenschaften, ein Spektralphotometer 18, ein titrimetrisches Zirkulationssystem 30, und eine Computersteuerung 35. Das interessierende biologische Gewebe 14 ist an einer Anordnungsvorrichtung 15 befestigt und ist in ein optisches Medium 12 eingetaucht. Das Spektralphotometer 18 untersucht die optischen Eigenschaften des Mediums 12 durch Verwendung sichtbaren oder infraroten Lichts, das über Lichtleiter 20 und 22 geleitet wird. Die Lichtleiter 20 und 22, die in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel optische Fasern sind, sind mit einer Lichtquelle 17 beziehungsweise einem Lichtdetektor 23 verbunden. An dem optischen Eingabeanschluss 19 eingeführte Photonen wandern in dem Medium 12 durch einen Streu- und Absorptionspfad und werden an einem Detektieranschluss 21 detektiert. Die auswählbare festgelegte Geometrie des Eingabeanschlusses 19 und des Detektieranschlusses 21 steuert den Migrationspfad, d. h. das optische Feld 25.
Das System 30 ist geeignet zum präzisen Ändern der Streu- und Absorptionseigenschaften des Mediums 12. Das Medium 12 umfasst eine Intralipid-Lösung (hergestellt von Kabi Vitrum, Inc., Clapton, NC), die Streueigenschaften zeigt, welche von ihrer Konzentration abhängen, und schwarze bzw. Ruß-Tusche, die Absorptionseigenschaften zeigt. Die Streu- oder Absorptionseigenschaft des Mediums 12 können entweder konstant und gleichförmig gehalten werden durch ordnungsgemäßes Mischen der Lösung, oder sie können fast kontinuierlich verändert werden durch Ändern der Konzentration der Bestandteile im Titriersystem 30. Schläuche bzw. Leitungen 30 und 34 sind geeignet für kontinuierliche Zirkulation der Lösung.
Beim Betrieb des Systems wird das Gewebe 14 zunächst entfernt vom optischen Feld 25 angeordnet. Das Spektralphotometer 18 untersucht das Medium 12 im Feldbereich 25, und die Steuerung 35 vergleicht die detektierten Daten mit vorgewählten Werten für den Absorptionskoeffizienten (μ_a) und dem Streukoeffizienten (μ_s). Als nächstes positioniert die Anordnungsvorrichtung 15 das Gewebe 14 im Feld 25, und das Spektralphotometer 18 misst die optischen Eigenschaften des Gewebes 14 und des Mediums 12. Aus den Spektraldaten, die mit und ohne das Gewebe gesammelt wurden, bestimmt die Computersteuerung 35 die optischen Eigenschaften des Gewebes 14.
Bei einem weiteren bevorzugten Betriebsverfahren werden nach dem Messen der optischen Eigenschaften des Mediums 12, die Streu- und Absorptionseigenschaften des Mediums 12 durch Titrieren an die Eigenschaften des Gewebes 14 angepasst, sodass das Gewebe 14 beim Einfügen in das Feld 25 keine Störung des Felds 25 verursacht. Nachdem die Streu- und Absorptionskoeffizienten des Mediums 12 an die Koeffizienten des Gewebes 14 angepasst wurden, detektiert das Spektralphotometer 18 die gleichen Daten mit oder ohne Gewebe 14. Die bekannten titrierten Werte von μ_a ^* und μ_s ^* sind gleich den Werten von μ_a und μ_s des Gewebes 14. Der Anpassungsprozess wird durchgeführt, indem zuerst μ_a und dann μ_s angepasst werden, oder umgekehrt.
Das beschriebene Verfahren ist anwendbar sowohl auf in vivo- als auch auf in vifro-Gewebeuntersuchung. Das Gewebe 14 kann eine Biopsieprobe sein, die in einem optisch transparenten Material eingeschlossen ist, oder ein Teil eines menschlichen Fingers, welcher in das Medium 12 eingeführt ist. Die Wellenlänge, des von dem Spektralphotometer verwendeten Lichts ist ausgewählt abhängig von dem interessierenden Gewebebestandteil (z. B. Hämoglobin, Oxihämoglobin, Glucose, Enzyme); es ist im Bereich dieser Erfindung, mehrere Wellenlängen zu verwenden.
Die vorliegende Erfindung sieht die Verwendung von verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen des optischen Mediums 12 vor. Bezugnehmend auf 2 umgibt ein Hohlzylinder 42, welcher mit dem Medium 12 gefüllt ist, beispielsweise einen Finger 40 und verhindert das Entkommen eingeführter Photonen. Die optischen Eigenschaften, der Druck und das Volumen des Mediums 12 werden durch das System 30 gesteuert, das mit dem Zylinder 42 durch Schläuche bzw. Leitungen 32 und 34 verbunden ist. Die Innenwände des Zylinders 42 bestehen aus einer nachgiebigen, optisch transparenten Barriere 44. Nach Einsetzen in den Zylinder 42 passt die Barriere 44 eng um den Finger. Die Abmessung der Innenbarriere 44 ist derart, dass, nachdem der Finger 40 zurückgezogen wurde, das Medium 12 das Volumen des Zylinders 42 vollständig füllt. Dies ermöglicht sowohl eine Hintergrundmessung des Mediums 12 als auch eine Messung des Fingers 40 in dem Medium 12 in gleicher Weise, wie es in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. Das optische Feld 25, das von der Position des Eingabeanschlusses 19 und des Detektieranschlusses 21 gesteuert wird, ist entweder in einer Übertragungsgeometrie oder einer Reflexionsgeometrie.
Bezugnehmend auf 2B ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Zylinder 42 ersetzt durch einen Satz von Zylindern 42A, 42B, 42C, ..., die jeweils das Medium 12 in einem flüssigen oder festen Zustand enthalten, und zwar mit einem konstanten vorgewählten Absorptions- und Streukoeffizienten. Das feste optische Medium ist Titanoxid oder ein anderes Streumittel, das eingebettet ist in einem absorbierenden nachgiebigen Medium, wie beispielsweise einem Gel.
Ein menschlicher Finger wird in die individuellen Zylinder eingeführt, und die optischen Eigenschaften des eingeführten Fingers werden durch das Spektralphotometer 18 gemessen. Unter Verwendung der bekannten optischen Eigenschaften der Zylinder und der Geometrie von Eingabeanschluss und Ausgabeanschluss, können die optischen Eigenschaften (d. h. μa und μs) des Fingers an die Eigenschaften eines der Zylinder angepasst werden.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele des Spektralphotometers 18 sind ein Spektrometer mit kontinuierlicher Welle, ein Phasenmodulationsspektrometer und ein zeitaufgelöstes Spektrometer, die alle in den oben genannten Dokumenten beschrieben sind.
Das System 10, welches mit einem Spektrometer mit kontinuierlicher Welle mit zweifacher Wellenlänge arbeitet, wird beispielsweise als ein Finger-Oximeter verwendet. Wie in 2A gezeigt ist, wird verhindert, dass die große Mehrheit von in den Finger 40 eingeführten Photonen durch das umgebende Medium 12 entkommt. Somit werden die eingeführten Photonen entweder absorbiert oder erreichen den Detektieranschluss 21 und werden von dem Detektor registriert. Es ergibt sich kein Fehler des Zählens der entkommenen Photonen als absorbiert. Die Hintergrundspektraldaten entsprechend jedem ausgewählten Wert von μ_a ^* und μ_s ^* des Zylinders 42 werden in dem System gespeichert, das die Werte von μ_a und μ_s des Fingers und des Zylinders für jede Wellenlänge anpassen kann. Für das Spektrometer mit kontinuierlicher Welle, das mit zwei Wellenlängen arbeitet, die empfindlich sind für Hämoglobin (Hb) und Oxihämoglobin (HbO₂) (z. B. 754 nm und 816 nm), wird die Hämoglobinsättigung (Y) berechnet, in dem das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten genommen wird und die folgende Gleichung für die Sauerstoffsättigung verwendet wird:
wobei die Koeffizienten bestimmt werden aus den Auslöschwerten von Hämoglobin bei 754 nm und 816 nm, die ε_Hb = 0,38 cm^–1 nM^–1 bzw. ε_Hb = 0,18 cm^–1 nM^–1 sind, und aus den Differenzen der Auslöschkoeffizienten zwischen Oxihämoglobin und Hämoglobin, die Δε_HBO–HB = 0,025 cm^–1 nM^–1 bzw. Δε_HBO–HB = 0,03 cm^–1 nM^–1 sind.
Wie dem Fachmann bekannt ist normalisiert das Oximeter bei der Hämoglobinsättigungsmessung die detektierten Daten, um Fluktuationen aufgrund von sich änderndem Blutvolumen zu eliminieren. Jedoch können die Volumenänderungen dazu verwendet werden, um die Pulsrate zu detektieren.
Alternativ dazu wird ein Phasenmodulationsspektrometer verwendet, um die Photonenmigration zu messen durch Detektieren der Intensität und der Phasenverschiebung θ von sinusförmig moduliertem Licht, das in einem Abstand von mehreren cm von dem Detektor eingeführt wird. Für Gewebe mit einem kleinen Volumen wird der optimale Abstand zwischen dem Eingabeanschluss und dem Strahlungsanschluss erreicht unter Verwendung des optischen Mediums 12. Ferner beseitigt bzw. verhindert das Medium 12 im Wesentlichen ein Entkommen von Photonen.
Die detektierte Phasenverschiebung steht in direkter Beziehung zum Mittelwert der Verteilung der Photonenpfadlängen, wie in 2A gezeigt ist. Die Photonenmigrationstheorie sagt voraus, dass die detektierten Photonen in einem dreidimensionalen „Bananen-förmigen" Verteilungsmuster in der Reflexionsgeometrie oder in einem „Zigarren-förmigen" Verteilungsmuster in der Übertragungs gemometrie repräsentiert werden können. Das Einfügen von Gewebe 14 in die Mitte des Felds 25 bewirkt Ungleichförmigkeiten in der Verteilung der Pfadlängen, d. h. das Bananen-förmige optische Feld 25 ist ungleichförmig, wenn die Gewebe-Absorptionseigenschaften unterschiedlich sind von den Eigenschaften des Mediums 12. Wenn μa des Gewebes kleiner ist als das des umgebenden Mediums, vermindert sich die durchschnittliche Pfadlänge <L>, da Photonen mit längeren Pfadlängen nicht mehr absorbiert werden, und umgekehrt. Somit bewirkt das Gewebe 14 Änderungen in der Pfadlänge und der Phasenverschiebung θ.
Ferner sieht die detektierte Intensität einen Modulationsindex (M) vor, der ein wichtiges Maß der Absorptions- und Streueigenschaften eines stark streuenden Mediums ist. Der Modulationsindex wird bestimmt als das Verhältnis der Wechselstrom- bzw. AC-Amplitude (A^λ) zu der Summe aus der AC-Amplitude und der Gleichstrom- bzw. DC-Amplitude (DC^λ).
Wie in Sevick et al. in Analytical Biochemistn, Band 195, Seiten 330 bis 351, 1991 beschrieben ist, ist die Phasenverschiebung für niedrige Modulationsfrequenzen (d. h. 2πf << μ_ac) ein direktes Maß der mittleren Flugzeit <t>, d. h. θ → 2πf <t>. In einem Medium, in dem sich alle Photonen mit konstanter Geschwindigkeit c bewegen, beschreibt die Phasenverschiebung die effektive mittlere Pfadlänge θ → 2πf <L>/c. Hierbei werden alle Pfadlängen gleich gewichtet. Die bestimmte Pfadlänge wird in der Beer-Lambert-Gleichung verwendet für die Bestimmung der Absorptionseigenschaften.
Wenn die Modulationsfrequenz ansteigt werden die kürzeren Pfadlängen stärker gewichtet. Bei hohen Frequenzen (d. h. 2πf >> μ_ac) ist die Phasenverschiebung kein gutes Maß der Verteilung der Pfadlängen mehr und ist direkt proportional zum Absorptionskoeffizienten μa und dem effektiven Streukoeffizienten (1 – g)·μ_s
Da der effektive Streukoeffizient Wellenlängen-unabhängig ist, kann das Verhältnis der Phasenverschiebungen, die bei zwei Wellenlängen gemessen wurden geschrieben werden als
wobei θ 0 / die Phasenverschiebung bei der gemessenen Wellenlänge ist, die sich aus der Streuung und Hintergrundabsorption ergibt. Das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten wird beispielsweise verwendet für die Bestimmung der Gewebesättigung Y. Ein Phasenmodulationsspektrometer mit zweifacher Frequenz und zweifacher Wellenlänge kann verwendet werden zur Bestimmung der Sättigung durch Eliminieren von θ₀. Das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten wird ausgedrückt als eine Funktion der Phasenverschiebungen, gemessen bei verschiedenen Frequenzen und Wellenlängen.
Alternativ dazu wird ein zeitaufgelöstes Spektrometer (TRS-Puls) verwendet, das am Eingabeanschluss 19 Lichtpulse in der Größenordnung von weniger als einer Picosekunde eingibt. Photonen, die sich durch eine Verteilung von Migrationspfadlängen 25 bewegen, werden am Detektieranschluss 21 gesammelt. Die Intensität des detektierten Lichts in der Reflexionsgeometrie, R(ρ, t), (oder in der Übertragungsgeometrie T(ρ, d, t)) wurde bestimmt durch Lösen der Diffusionsgleichung in einem unendlichen Medium als eine Green's Funktion mit nahezu unendlichen Grenzbedingungen. Aufgrund der halb-unendlichen bzw, semiinfiniten Medienbedingung in der Reflexionsgeometrie muss die Trennung zwischen den Eingabe- und Ausgabeanschlüssen in den Größenordnung von mehreren Zentimetern sein, um die folgende Gleichung zu verwenden.
Für t → ∞ wird der Absorptionskoeffizient μ_a bestimmt als
wobei ρ die Trennung bzw. der Abstand zwischen den Eingabe- und Detektieranschlüssen ist und c die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium ist. Der effektive Streukoeffizient (1 – g) μ_s wird bestimmt als
wobei t_max die Verzögerungszeit ist, bei der das detektierte Reflexionszeitprofil (R(ρ, t) ≡ I(t)) ein Maximum erreicht. Die rechte Seite der Gleichung 7 ist die Abnahme- oder Zerfallsteigung der Ankunftszeit der modifizierten Pulse. Der Absorptionskoeffizient wird quantifiziert durch Auswerten der abnehmenden Steigung der detektierten Pulse, wie es in Gleichung 7 beschrieben ist. Der effektive Streukoeffizient (1 – g)·μ_s wird aus Gleichung 9 bestimmt. Für die bekannten μ_a und μs und die Eingabeanschluss-Ausgabeanschluss-Geometrie besitzt das System ein einzigartiges Zeitprofil I(t). Das gespeicherte Profil wird verglichen mit dem Zeitprofil, das für das eingeführte Gewebe detektiert wird, um ein Differenzprofil zu erhalten, das die Streu- und Absorptionskoeffizienten des Gewebes 14 besitzt. Alternativ dazu werden μ_a und μs des Mediums 12 und des Gewebes 14 angepasst durch Ändern der Streu- und Absorptionseigenschaften des Mediums 12, so dass das detektierte Zeitprofil durch Einfügen des Gewebes 14 nicht verändert wird.
Das TRS-System kann verwendet werden, um einen CW-Oximeter (Oximeter mit kontinuierlicher Welle) zu kalibrieren, um die gemessenen Daten zu quantifizieren. Um die Differenz zwischen der geometrischen Distanz (ρ) zwischen dem Eingabeanschluss und dem Detektieranschluss und der Pfadlänge (<L>) zu berücksichtigen, verwenden einige Oximeter eine modifizierte Beer-Lambert-Gleichung mit einem Differenz-Pfadlängen-Faktor (DPF) wie folgt:
absorbance = DPF.ε.[C] (10)
Jedoch kann der Differenz-Pfadlängen-Faktor von CW-Oximetern nicht präzise bestimmt werden, da er von der Pfadlänge abhängt. Das TRS bestimmt den DPF unter Verwendung der Absorptions- und Streukoeffizienten (μ_a, μ_s) wie folgt:
Alternativ dazu wird ein Phasenanordnungsspektrometer, wie es in WO 93/25145 beschrieben ist, verwendet, um eine Gewebeanomalie zu lokalisieren oder einen ausgewählten Gewebebereich abzubilden.
Die beschriebenen Systeme sind konstruiert zur Durchführung von entweder einer einzigen Messung oder einer kontinuierlichen Zeit abhängigen Überwachung der ausgewählten physiologischen Eigenschaft. Das System kann eine visuelle Anzeige für kontinuierliche Überwachung der gemessenen Werte umfassen und kann einen Alarm umfassen, der ein Warnsignal abgibt, wenn der gemessene Wert gleich einem vorgewählten Wert ist.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel des optischen Kopplers ist ein Optrodenhalter 45, der in 3 gezeigt ist. Der Optrodenhalter 45 wird verwendet zur Untersuchung des Kopfs eines Neugeborenen (46). Optische Fasern 20 und 22 ragen in ein festes Streumaterial, d. h. ein das Entkommen verhinderndes optisches Medium, beispielsweise Polystyrolschaum, das einen Rückkehrpfad für entkommende Photonen 48 bietet. Die Pfadlänge der wandernden Photonen im Gewebe ist viel länger, da die Photonen durch die streuenden Materialien zu dem Gewebe zurückkehren, wie es durch die Zickzack-Pfeife 48 gezeigt ist. Somit dringt das Bananen-förmige Muster tiefer ein und bedeutungsreiche spektroskopische Daten können bei kleineren Eingabe-Ausgabe-Faserabständen erhalten werden ohne Gefahr von Photonenleckage oder „Kurzschlüssen" durch im Wesentlichen direkte Pfade. Alternativ dazu kann der Polystyrolschaum ersetzt werden durch eine Metallfolie, die die Gewebestrahlung von sichtbaren oder naheinfrarot-Wellenlängen zurückreflektiert. Die Folie umgibt die Eingabe- und Detektieranschlüsse und das untersuchte Gewebe.
Bezugnehmend auf 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel ein optisches Kopplungssystem, das eine optische Kopplungseinrichtung 114 und einen Abstandshalter/Koppler 116 aufweist zum Koppeln des vorderen Endes der optischen Kopplungseinrichtung 114 mit dem Hinterkopf 110, um einen Gewebebereich des Gehirns zu überwachen. (Ein ähnliches System kann andere Gewebebereiche überwachen, wie beispielsweise innere Organe und Muskeln.) Der Abstandhalter/Koppler 116 ist ein dünner, flexibler, mit Flüssigkeit gefüllter Beutel, der durch optisch passende Fluide in den gezeigten Zustand aufgeblasen ist. Der Abstandshalter/Koppler 116 dient auch als ein Kissen und sieht eine weiche Schnittstelle bzw. Zwischenfläche zwischen dem vorderen Ende der Kopplungseinrichtung 114 und dem Kopf 110 vor.
Die optische Kopplungseinrichtung 114 weist einen Lichtleiter 120 in Form eines Bündels optischer Fasern auf, die einen Erregungskanal zum Liefern von nahe roter Strahlung (NR) vom hinteren Bereich der Kopplungseinrichtung zu dem Kopf 110 bilden. Das entfernte bzw. distale Ende 121 des Lichtleiters 120 benachbart zu dem Kopf 110 bildet einen Erregungsanschluss. Ein Detektierlichtleiter 124, der auch aus optischen Fasern gebildet ist, erstreckt sich entlang der Länge der Kopplungseinrichtung. Eine lichtundurchlässige Spektralbarriere 122 umgibt ein distales Ende 125 des Detektierlichtleiters 124. Die Barriere blockiert im Wesentlichen alle direkte und reflektierte Strahlung mit Ausnahme derjenigen, die von einem Bereich beabstandet von der Gewebeoberfläche wandert; d. h. die Barriere 122 wirkt als ein Absorber der oberflächennahen Strahlen. Dies ermöglicht es dem verbundenen Spektralphotometer, beispielsweise den Oxidations- bzw. Sauerstoffanreicherungszustand von Hämoglobin tief innerhalb des Gewebes zu bestimmen, anstatt an der Oberfläche. Um die Leckage von Strahlung aus der Länge des Erregungslichtleiters in den Detektierlichtleiter zu blockieren, ist vorzugsweise eine dünne Beschichtung 130 aus einem für die Strahlung im Wesentlichen undurchlässigen Material um jedes der Faseroptikbündel 120, 124 angeordnet.
Die Überwachungssysteme von 4 können kalibriert werden, indem eine Mischung aus Hefezellen und Blut mit bekannten Oxidations- bzw. Sauerstoftanreicherungseigenschaften durch den Abstandshalter/Koppler 116 geleitet wird, um die Anfangsempfindlichkeit des Systems für Oxi-Desoxi-Hämoglobin-Lösungen von Blut zu bestimmen. Die Genauigkeit des Überwachungssystems kann verbessert werde, indem Änderungen der Albedo des Haars und der Haut der Person kompensiert werden sowie auch Änderungen der Dicke des Abstandshalters/Kopplers 116. Eine solche Kompensation kann erreicht werden durch Vorsehen eines Rings aus optischen Fasern, welcher den Erregungslichtleiter 120 eng umgibt, aber durch eine undurchlässige Beschichtung davon getrennt ist. Die Erregungsstrahlung, die durch den Lichtleiter 120 geliefert wird und von den Ring aus Fasern am vorderen Ende der Kopplungseinrichtung detektiert wird, kann verwendet werden zum Überwachen der zurückgestreuten Strahlung und auch zum Regeln der Lampenintensität, um eine konstante auftreffende Strahlung beizubehalten.
Ein ähnliches Kopplungssystem ist in 4A gezeigt. Das Kopplungssystem umfasst einen Abstandshalter/Koppler 116 und zwei Sätze von Erregungsanschlüssen 121A, 121B, 121C und Detektieranschlüssen 125A und 125B, die jeweils in einer Reihe angeordnet sind, sowie eine zentrale Reihe von Detektieranschlüssen 126A, 126B und 126C. Die Eingabefläche der Erregungsanschlüsse besitzt einen Durchmesser von 100 μm bis 1 mm und die Detektionsfläche der Detektieranschlüsse besitzt einen Durchmesser von 1 mm bis 10 mm. Die größere Detektionsfläche wird verwendet, um das Sammeln der wandernden Photonen zu verbessern. Wie beschrieben wurde, sind die Schläuche bzw. Leitungen 32 und 34 mit einem Titriersystem verbunden und werden verwendet zur Zirkulation und für gesteuerte optische Änderungen des optisch passenden Fluids, das innerhalb einer elastischen, optisch transparenten Barriere enthalten ist. Wie beschrieben wurde, können die Streu- oder Absorptionseigenschaften (μ_a, μ_S') des optischen Mediums ausgewählt werden, so dass sie passend sind zu μa des Gewebes, μ_s' des Gewebes oder zu beidem. In mehreren Anwendungen ist es vorteilhaft, μ_s' passend zu machen und μa sehr niedrig zu halten, um Absorption in dem optischen Medium im Wesentlichen zu eliminieren. Somit wird der Absorptionskoeffizient hauptsächlich von den Eigenschaften des untersuchten Gewebes abhängen.
Jede Reihe von Erregungsanschlüssen und Detektieranschlüssen kann verwendet werden für unabhängige Untersuchung des Gehirngewebes durch Ausführen eines ρ-Scans, wie es in WO 96/16592 beschrieben ist. Lichtleiter liefern Strahlung an individuelle Erregungsanschlüsse 121A, 121B, 121C in einer Sequenz, und die eingeführten Photonen wandern durch das Gehirn des Patienten zu Detektieranschlüssen 125A, 125B über die entsprechenden „Bananen-förmigen" Migrationspfade, die von der Trennung bzw. dem Abstand zwischen dem Erregungsanschluss und dem Detektieranschluss abhängen. Basierend auf den detektierten, normalisierten Intensitäten berechnet das Spektralphotometer die Werte von μ_a und μ_s', die verwendet werden, um eine Gehirnblutung, zerebrale Hypoxia oder Gewebeablagerung, die charakteristisch ist für die Alzheimer-Krankheit, zu detektieren.
Die zentrale oder mittlere Reihe von Detektieranschlüssen 126A, 126B und 126C wird verwendet für separate Phasenanordnungsmessung, die in WO 96/16596 beschrieben ist. Licht von zwei Quellen wird sequentiell an den Erregungsanschlüssen 121A und 121A' in das untersuchte Gehirngewebe eingeführt. Die Intensitäten der zwei Quellen sind so ausgewählt, dass ein Detektieranschluss 126A auf einer Null-Ebene von gleicher Intensität in dem Gewebe angeordnet ist. Ein Detektor detektiert sequentiell Strahlung, die von den Eingabeanschlüssen 121A und 121A' zu dem Detektieranschluss 126A gewandert ist. Die detektierten Signale werden in einer Registerschaltung bzw. Sample-und-Halte-Schaltung (sample and hold circuit) gespeichert und in einer Subtraktionsschaltung subtrahiert, um ein Differenzsignal zu erzeugen. Das Differenzsignal wird dann zur Untersuchung des Gewebes verwendet. Diese Auslöschungsmessung wird über drei Sätze von Erregungs- und Detektieranschlüssen (d. h. 121A, 121A' und 126A; 121B, 121B' und 126B; 121C, 121C' und 126C) durchgeführt, um den vorderen Lappen bzw. den vorderen Teil des Gehirns zu untersuchen.
Bezugnehmend auf 5 wird ein ähnliches optisches Kopplungssystem dazu verwendet, Brustgewebe 11 zu untersuchen. Ein zylindrischer optischer Koppler umfasst einen Hohlzylinder 42, welcher mit einem optischen Medium 12 gefüllt ist. Der Zylinder 42 ist nahe der Brustwand 11A über der Brust 11 angeordnet. Wie oben beschrieben wurde, werden die optischen Eigenschaften, Druck und Volumen des Mediums 12 durch ein System 30 gesteuert, das mit dem Zylinder 42 über Schläuche bzw. Leitungen 32 und 34 verbunden ist. Das optisch passende Fluid ist in einer nachgiebigen, optisch transparenten Barriere 44 enthalten. Die Innenwände des Zylinders 42 können mit einem Film beschichtet sein, der Licht im sichtbaren oder nahe-infraroten Bereich zurück zu dem passenden Fluid reflektiert. Der optische Koppler verwendet Zylinder 42 mit verschiedenen Größen oder einen Zylinder mit einem anpassbaren Volumen, so dass der Koppler einen ausgewählten Abstand zwischen der Brustoberfläche und der Innenwand des Zylinders 42 haben kann. Der bevorzugte Abstand ist ungefähr 1 Zentimeter, aber für sehr kleines Gewebe ist ein größerer Abstand bevorzugt, um halb-unendliche bzw. semi-infinite Grenzbedingungen zu erreichen. Somit ist der Koppler auch zweckmäßig zur Untersuchung einer kleinen Brust oder nach chirurgischer Entfernung des Brustgewebes. Nach dem Anordnen des Zylinders wird das Volumen des Mediums 12 angepasst, so dass die Barriere 44 eng um die untersuchte Brust passt. Alternativ dazu ist das optische Medium ein nachgiebiger Feststoff, beispielsweise ein absorbierendes Gel, das kugelförmige metallische oder Oxid-Partikel oder mattierte Glasperlen als Streumittel enthält. Wenn der Zylinder fest auf der untersuchten Brust angeordnet ist, wird überschüssiges optisches Medium, das in der nachgiebigen Barriere enthalten ist, aus dem Zylinder gedrückt.
Wie oben beschrieben wurde, misst das Spektralphotometer 18 die optischen Eigenschaften des Gewebes 11 und des Mediums 12. Lichtleiter 20 und 20A sind mit einer Lichtquelle 21 verbunden, und ein Lichtleiter 22 ist mit einem Lichtdetektor 23 verbunden. An den optischen Eingabeanschlüssen 19 und 19A eingeführte Photonen wandern in dem Medium 12 über Streu- und Absorptionspfade und werden am Detektieranschluss 21 detektiert. Das optische Medium erreicht ein gleichförmiges Koppeln des Lichts mit dem Gewebe, das normalerweise nachgiebig ist, und ermöglicht eine vorgewählte festgelegte Geometrie der Eingabe- und Detektieranschlüsse. Das Spektralphotometer 18, das ein Spektralphotometer mit kontinuierlicher Welle, ein Phasenmodulationsspektralphotometer oder ein zeitaufgelöstes Spektralphotometer ist, wertet das Brustgewebe in ähnlicher Weise aus, wie es oben beschrieben wurde für die Biopsieprobe oder den Finger.
Ferner kann die optische Auflösung erhöht werden, wenn das Spektralphotometer 18 zusammen mit dem optischen Koppler an einem „normalen" Gewebebereich kalibriert werden und dann verwendet werden, um einen anderen Gewebebereich zu untersuchen, der im „normalen" Zustand die gleichen optischen Eigenschaften haben sollte wie der erste Gewebebereich. Beispielsweise wird der optische Koppler zuerst auf der linken Brust angeordnet, und dann werden die optischen Eigenschaften des Gewebes gemessen. Dann wird der optische Koppler an der rechten Brust angeordnet, die im Verdacht steht, einen abnormalen Gewebebereich zu besitzen. Die optischen Eigenschaften der rechten Brust werden gemessen und ausgewertet im Verhältnis zu den optischen Eigenschaften des normalen Gewebes der linken Brust. Die relative Messung kann durchgeführt werden durch unabhängiges Messen der zwei Datensätze und durch Subtrahieren voneinander oder Vergleich miteinander. Alternativ werden zwei Spektralphotometer, jeweils mit einem optischen Koppler auf einer Brust angeordnet, gleichzeitig verwendet unter Verwendung eines Lateralisierungsdetektors. Eine solche Technik ist allgemein beschrieben (und insbesondere für die Untersuchung des Gehirns) in einer PCT-Anmeldung WO 92/20273, eingereicht am 18. Mai 1992.
Alternativ dazu ist das Spektralphotometer 18 ein Phasenanordnungssystem, das in der oben zitierten WO 96/16596 beschrieben ist. 5A zeigt einen optischen Koppler für eine Messung unter Verwendung einer Übertragungsgeometrie, und 5B zeigt einen optischen Koppler für eine Messung unter Verwendung einer Reflexionsgeometrie, die schon für das Kopplungssystem von 4A beschrieben wurde. 5C zeigt einen optischen Koppler für ein Phasenanordnungssystem, das Strahlung mit bekanntem sich zeitlich änderndem Muster gleichzeitig von Eingabeanschlüssen 19, 19A, 19B und 19C einführt und eine sich ergebende eingeführte Strahlung bildet, die einen substantiellen Photonendichtegradienten in mindestens einer Richtung besitzt. Die richtungsmäßig eingeführte Strahlung wird durch eine Gewebe-Unhomogenität (z. B. einen Tumor, eine Blutung) gestört und wird an der Detektionsstelle 21 detektiert. Der Zylinder 42 kann eine geteilte Öffnung umfassen, um eine Bewegung der Faser 22 zu gestatten, so dass der Detektieranschluss 21 an mehreren und verschiedenen Positionen angeordnet sein kann. Das Gewebe wird untersucht oder abgebildet durch Scannen des eingeführten Richtungsfelds in zwei oder drei Dimensionen und Bewegen des Detektieranschlusses über eine vorbestimmte Geometrie, wie es in dem Dokument WO 93/25145 beschrieben ist.
Ein ähnlicher optischer Koppler für ein zweidimensionales Phasenanordnungssystem ist in 5D gezeigt. Ein hohler Kasten 42A ist mit einem optischen Medium 12 gefüllt, welches in einer nachgiebigen optisch transparenten Barriere 44 enthalten ist, und umfasst mehrere optische Eingabeanschlüsse 19, 19A, 19B, 19C, ..., die angeordnet sind, um eine zweidimensionale Anordnung zu bilden, sowie einen Schlitz 49, der so konstruiert ist, dass er den Detektieranschluss 21 der Detektionsfaser 22 oder ein optisches Fenster auf nimmt. Alternativ dazu kann der Anschluss 19 als der Detektieranschluss in einer Rückstreugeometrie verwendet werden. Der Koppler kann auch einen Anschluss 50 umfassen, der geeignet ist für das Nadellokalisierungsverfahren. (Falls ein weiterer Zugang benötigt wird, kann der Anschluss 19 so konstruiert sein, dass er sowohl eine optische Faser als auch die Nadel aufnimmt.) Die Innenwände des Kastens 42A sind mit einem reflektierenden Material ausgekleidet, das Photonen zurück in das Fluid 44 bringt bzw. reflektiert. Wenn der Koppler in dem Nadellokalisierungs verfahren verwendet wird, wird der Tumor zunächst durch Röntgenbilder identifiziert, die durch den Kasten 42A aufgenommen werden. Während die Röntgenbilder aufgenommen werden, kann das optische Fluid 44 abgezogen werden, um eine hohe Dämpfung der Röntgenstrahlen zu vermeiden. Dann wird eine Nadel 51 durchgeführt, um den Tumor mit einem Metalldraht zu markieren. Der Tumor wird dann untersucht oder lokalisiert unter Verwendung der zweidimensionalen Phasenanordnung. Die Anschlüsse 19 oder 50 können auch verwendet werden für die Biopsie des lokalisierten Tumors.
Optische Koppler, die für Ultraschalluntersuchung oder magnetische Resonanzabbildung (MRI bzw. Kernspin) in Verbindung mit der optischen Spektroskopie verwendet werden, sind in den 5E bzw. 5F abgebildet. Bezugnehmend auf 5E umfasst der optische Koppler der 5 einen Anschluss 52, der konstruiert ist zur Aufnahme einer Ultraschallsonde. Bezugnehmend auf 5F ist der optische Koppler für magnetische Resonanzabbildung aus nicht-magnetischen Materialien hergestellt und umfasst einen Satz von MRI-Spulen 56, die um das Gewebe herum angeordnet sind. Das Gewebe wird abgebildet unter Verwendung von MRI- und optischen Techniken, wobei die Bildauflösung erhöht werden kann durch Verwendung von Kontrastmitteln, die geeignet sind sowohl für MRI-Untersuchung als auch optische Untersuchung, wie es beschrieben ist in der Anmeldung WO 94/22361.
Bezugnehmend auf 6 umfasst der optische Koppler in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Satz von optischen Fenstern anstatt der Eingabe- und Detektionsfasern. Der Koppler umfasst einen Hohlzylinder 42A, der mit dem optischen Medium 12 gefüllt ist, welches innerhalb einer nachgiebigen Barriere enthalten ist, und er besitzt drei optische Fenster 63, 64A und 64B. Ein von einer Lichtquelle 62 eines Spektralphotometers 60 emittierter Lichtstrahl wird zu einer ausgewählten Stelle des Eingabeanschlusses 63 durch einen Satz von Spiegeln 68A und 68B und andere optische Elemente geleitet. Das optische System speichert die exakte Position des Eingabestrahls bezüglich des untersuchten Gewebes. Nach der Wanderung im Gewebe 11 wird das veränderte Licht an Detektieranschlüssen 64A oder 64B unter Verwendung eines Detektors 65 detektiert. Der Detektor 65 umfasst beispielsweise eine Anordnung von Halbleiterdetektoren. Die optischen Detektieranschlüsse 64A oder 64B sind gebildet aus einer Anordnung von Detektionsteilflächen, und jede Teilfläche überträg empfangene Strahlung an den entsprechenden Halbleiterdetektor. Somit kann das System die Intensität und die exakten Koordinaten der detektierten Strahlung aufzeichnen. Basierend auf der bekannten Eingabestrahlung und ihren Koordinaten und der detektierten Strahlung für die individuellen Detektorstellen charakterisiert das System das Gewebe.
Bezugnehmend auf 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des optischen Kopplungssystems ein optischer Koppler 70 vom Haarbürsten-Typ. Dieser optische Koppler ist konstruiert, um eine optische Kopplung von Licht zum und vom Gehirngewebe vorzusehen, und zwar in Bereichen, wo der Schädel mit Haar bedeckt ist. Der Koppler 70 umfasst mindestens eine Quellensonde 72 und mindestens eine Detektiersonde 75. Die Quellensonde 72 besteht aus ungefähr zwanzig optischen Fasern mit einem Durchmesser von 0,5 Millimeter bis 3 Millimeter und einer Länge von mindestens einem halben Zentimeter. Eingabeanschlüsse 73 (d. h. Strahlungsspitzen) der Fasern der Quellensonde 72 sind so angeordnet, dass sie eine ausgewählte Struktur bilden (z. B. eine Matrix, ein Mosaik, einen kreisförmige oder lineare Struktur), abhängig von der gewünschten Eingabegeometrie und der Arte des untersuchten Gewebes. Jede Strahlungsspitze der Faser kann ein optisch passendes Material umfassen (z. B. einen Kunststoff, ein Gel-artiges Material, einen Überzug oder ähnliches), das zwischen der Faser und dem Gewebe angeordnet ist und konstruiert ist zum effizienten Einführen von Licht in das untersuchte Gewebe. Am nahe gelegenen bzw. proximalen Ende besitzt die Sonde 72 einen oder mehrere Lichtkopplungsanschlüsse 74. Die Sonde besitzt mindestens zwei Kopplungsanschlüsse, die jeweils aus den Fasern bestehen, die zusammengebündelt sind und angeordnet sind, um eine effiziente Kopplung des Lichts von einer Lichtquelle (z. B. einer Glühlampe, einer Leuchtdiode, einem Laser) mit der Sonde zu erreichen.
Die Detektiersonde 75 umfasst einen oder mehrere Detektieranschlüsse 76 und einen oder mehrere Lichtkopplungsanschlüsse 77. Die Detektiersonde 75 besitzt eine ähnliche Konstruktion, wie die Quellensonde 72, kann aber eine größerer Anzahl individueller Fasern besitzen, um einen ausreichende Lichtmenge zu sammeln, die in dem Gewebe gewandert ist. Am nahe gelegenen bzw. proximalen Ende können die Detektionsfasern auch zusammengebündelt sein, um einen einzigen Lichtkopplungsanschluss 77 zu bilden, der eine gute Kopplung mit einem großflächigen Detektor bietet (z. B. einem Diodendetektor, einem PMT-Detektor oder einem MCPD-Detektor). Da die Quellensonde 72 und die Detektiersonde 75 einen ähnlichen Aufbau besitzen, können sie in austauschbarer Weise verwendet werden. Mehrere Quellensonden und Detektiersonden können mit einem optischen Sequenzer oder Multiplexer gekoppelt sein, der aufgebaut ist zum Senden und Empfangen von Licht in einer gewünschten Weise. Die Sonden können aus umhüllten Fasern (cladded fibers) bestehen, um Übersprechen bzw. Interferenz zu eliminieren. Die Quellensonde 72 und die Detektiersonde 75 sind auf einem Tragglied angebracht, das konstruiert ist zum Erreichen einer ausgewählten Position der Fasern und einer gewünschten Trennung der Eingabeanschlüsse und der Detektieranschlüsse. Das Tragglied kann auch Druck auf die Faserspitzen übertragen für ein verbessertes Koppeln des Lichts mit dem Gewebe. Ein verbundenes Spektralphotometer (wie beispielsweise ein TRS-Puls-, PMS-, CW- oder Phasenanordnungs-Spektralphotometer) misst tiefes Gewebe bei großen Abständen der Anschlüsse (ρ = 5 cm bis 10 cm) und misst eine Hautschicht bei kleinen Abständen (ρ = 0,5 cm bis 2 cm).
Der optische Koppler vom Haarbürsten-Typ kann verwendet werden für die Untersuchung von symmetrischen Gewebebereichen des Gehirns, der Brust, des Arms, des Beins oder andere Bereiche, wie es beschrieben ist in der Anmeldung WO 92/20273. Der optische Koppler vom Haarbürsten-Typ kann auch verwendet werden um asymmetrische Gewebeeigenschaften von optisch symmetrischen Körperbereichen zu detektieren. 7A zeigt einen Koppler vom Haarbürsten-Typ an dem Kopf befestigt, und insbesondere an den Parietalknochen bzw. Scheitelbeinen eines Neugeborenen, das noch die charakteristische Öffnung besitzt, die vordere Fontanelle (fontanel anterior) genannt wird. Die Eingabeanschlüsse 73A und 73B der Quellensonden 72A bzw. 72B sind an symmetrischen Stellen auf den entsprechenden Parietalknochen bzw. Scheitelbeinen (oder den Schläfenbeinen, dem Hinterhauptbein, etc.) angeordnet. Die Detektieranschlüsse 75A und 75B sind in gleichem Abstand (ρ, üblicherweise 3 cm bis 8 cm) von den entsprechenden Eingabeanschlüssen 73A und 73B angeordnet. Das Spektralphotometer führt Strahlung mit einer ausgewählten Länge an jedem Eingabeanschluss ein und detektiert Strahlung an jedem Detektieranschluss. Das Spektralphotometer speichert die detektierten Daten separat und korreliert sie miteinander oder mit gespeicherten Daten entsprechend der individuellen Gehirnbereiche, um irgendeine Asymmetrie der Gewebeeigenschaften zu identifizieren. Alternativ dazu misst das Spektralphotometer ein Differenzsignal direkt. Normales Gewebe liefert ein im Wesentlichen symmetrisches Signal. Eine detektierte Asymmetrie kann verursacht sein durch einen Gewebekrankheit, wie beispielsweise eine lokalisierte Blutung, ein asymmetrisches Schlagvolumen oder einen anderen pathologischen Zustand. (Siehe z. B. S. P. Gopinath et al., J. Neurosurg., 79, 1993.)
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine Mehrfaser-Haarbürsten-Sonde zur Abbildung des Gehirns verwendet. Zu diesem Zweck ist eine Reihe halbstarrer 1 mm-Fasern in einem Helm aus Polystyrolschaum oder Kunststoff eingebettet. Wenn der Helm am Kopf befestigt ist, ragen die Eingabeanschlüsse der Fasern durch das Haar bis zur Oberfläche der Kopfhaut. Der Kopf des Patienten ist beispielsweise bedeckt von vier Reihen von je acht Fasern, die sich von dem vorderen Bereich zu dem Hinterkopfbereich erstrecken. Eine größere Anzahl von Fasern wird verwendet, wenn eine höhere Auflösung des Bilds benötigt wird. Jede Faser ist mit ihrem optischen Kopplungsanschluss mit einem optischen Sequenzen oder Multiplexer gekoppelt. Auf diese Weise kann jede Faser mit einer Lichtquelle oder einem Lichtdetektor eines optischen Bildgebers bzw. einer optischen Abbildungseinrichtung gekoppelt werden, der bzw. die beschrieben ist in WO 93/25145 oder WO 96/16596.
Bezugnehmend auf 8 ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der optische Koppler vom Haarbürsten-Typ konstruiert für eine in vivo-Untersuchung von Gewebe unter gleichzeitiger Verwendung von magnetischer Resonanzabbildung (MRI) und medizinischer optischer Abbildung (MOI). Der Koppler umfasst eine Polystyrolschaumkappe 85 mit vier Reihen aus je acht Fasern, die sich vom vorderen Bereich zum Hinterkopfbereich des Kopfes 88 des Patienten erstrecken, der innerhalb eines MRI-Magneten 90 angeordnet ist. Die optischen Fasern erstrecken sich durch das Haar zum Schädel und umfassen Ferrit-Kappen. Jede Faser ist an ihrem optischen Kopplungsanschluss mit einem Faserverbindungskasten 92 gekoppelt. Der Faserverbindungskasten 92, der sich außerhalb des Magneten 90 befindet, besitzt geeignete elektromechanische oder elektro-optische Schalter, um das Umschalten einer Faserleitung 91 zu irgendeiner der 32 mit dem Kopf 88 gekoppelten Fasern zeitlich gesteuert durchzuführen. Das System verwendet eine oder mehrere Fasern für die Übertragung und irgendwelche andere Fasern zur Detektion. Ein MRI/MOI-Steuerzentrum 92 umfasst ein Abbildungszentrum 95 und ein Computersystem 96; das konstruiert ist zur Erzeugung und zum Übereinanderlegen der optischen und magnetischen Bilder. Die Koordination der optischen und MRI-Bilder wird erreicht durch MRI-/optische Markierungen. Dreidimensionale Markierungen werden gebildet durch Beschichten der Fasern mit einem Film, der ein magnetisch entspanntes, Wasser-ähnliches Signal ergibt, so dass jede optische Faser auf einem NMR-Bild erscheint. Auf diese Weise wird ein optisches Bild, das von den entsprechenden Quellen- und Detektorfasern erzeugt wird, mit dem MRI-Bild korreliert. Es ist wichtig, das solche „bezeichneten" Fasern die NMR-Untersuchung nicht stören.
Das Abbildungszentrum 95 verwendet ein TRS-System, das in US-A-5,119,815 oder in US-A-5,386,827 beschrieben ist. Das TRS-System umfasst einen einstellbaren Ti-Saphir-Laser, der eine Reihe von Lichtimpulsen mit unterschiedlichen Wellenlängen im NIR-Bereich erzeugt, und zwar ansprechend bzw. empfindlich auf ein endogenes oder exogenes Pigment. Die Lichtimpulse, die erzeugt werden, wie es im Zeitablaufdiagramm von 8A gezeigt ist, werden über eine Faserleitung 91 zum Faserverbindungskasten 92 übertragen. Im Faserverbindungskasten 92 werden die Signale zu den 32 Fasern gemultiplext, die Licht zu geeigneten Stellen übertragen und von dort empfangen. Eine einzige optische Faser kann auch mit Faserzweigen verbunden sein, die an verschiedenen Stellen am Kopf angebracht sind. Das TRS-System umfasst auch zwei 8-Multi-Anoden-Mikrokanal-Plattendetektoren. Die Detektorausgabe wird an einen Parallel-Computer gesandt, der Bilder erzeugt, die mit dem MRI-Scan kongruent sind und in ungefähr der gleichen Zeit beendet werden wie die MRI-Daten.
Um eine ordnungsgemäße Kopplung zu erreichen, sind die Fasern im Raum indexiert bzw. bezeichnet, um eine Anordnung zu bilden, und sind in geeigneter Weise codiert durch ein Indexfeld, das die Gewebepositionen wiedergibt bzw. imitiert. Dies identifiziert die Position der Fasern 1 bis 32 in der Anordnung bezüglich eines Master- bzw. Hauptsynchronisierungsimpulses. Die Abbildungssequenz besteht aus einer Serie von Impulsen, die über die Hauptfaser zu einer identifizierten Stelle in ausgewählten Intervallen (z. B. 5 Nanosekunden) übertragen werden. Jeder Impuls erzeugt ein Photonenmigrationsmuster, das über eine identifizierte optische Kopplungsfaser empfangen wird und von dem Zentralcomputer durch Zeitcodierung erkannt wird als von einer bestimmten empfangenden Faser oder einem Satz von Fasern stammend. Der Senderimpuls stimuliert alle Senderfasern nacheinander bzw. in einer Sequenz. In ähnlicher Weise ist das empfangene Muster eine Zusammensetzung bzw. Zusammenschau aller Empfängerpositionen. Die Abbildungskonsole „kennt" nicht nur die Stelle bzw. Lage der Faser, sondern identifiziert auch das von der Faserleitung empfangene Signal aufgrund seiner Zeitsequenz bezüglich des Synchronisierungsimpulses. Der Sende-/Empfangs-Algorithmus besteht aus einer Sequenz von Erregungsimpulsen gefolgt von Photonendiffusionsmustern, die an den bestimmten Stellen detektiert werden, die speziell für das untersuchte Organ ausgewählt sind.
Das System kann einen allgemeinen bzw. generischen Sende-/Empfangs-Algorithmus, welcher für ein durchschnittliches Organ entworfen ist, oder einen patientenspezifischen Algorithmus verwenden. Ferner können verschiedene Algorithmen verwendet werden für ipsilaterale, kontralaterale, de novo oder wiederholt auftretende Gehirnblutung. Der optische Koppler kann an dem Kopf (oder jeglichem Teil des Körpers) über längere Zeitperioden angebracht sein, um die Entwicklung eines Gewebezustands (z. B. Gehirnblutung, Kompartment-Syndrom oder Änderungen in einem Schlag-induzierten bzw. von einem Schlaganfall befallenen Volumen) während und nach der Verabreichung eines speziellen Medikaments bzw. einer Droge. Beispielsweise kann das System auch die Entwicklung eines schlaginduzierten Volumens oder Änderungen im Intracranialdruck überwachen nach Verabreichung eines Osmosemittels (z. B. Mannitol, Glycerol), Texamethason (dessen Wirkungen mehrere Stunden verzögert sind) oder einer anderen Droge, die temporär ein Gehirnödem reduziert. Das System kann auch die Entwicklung eines Lösungsprodukts (z. B. Glucose) überwachen, während es sich im Blutkreislauf verteilt bzw. ins Gleichgewicht kommt.
Das Computersystem 96 sieht ein Übereinanderlegen der zwei Bilder vor, mit Kontrast aufgrund von Vaskularität/Vaskulogenese, Durchlässigkeit von Blutgefäßen, Proliferation (bzw. Ausbreitung)/Degeneration von intrazellulären Organellen und einiger anderer Gewebeeigenschaften. Um die optischen Bilder richtig mit den NMR-Bildern zu korrelieren, müssen die optischen Bilder einen angemessenen Kontrast besitzen. Der gewünschte Kontrastgradient wird erreicht durch Auswählen eines geeigneten Kontrastmittels (z. B. eines exogenen Pigments) und einer Wellenlänge des induzierten Lichts. Das Spektralphotometer kann getrennte Bilder konstruieren basierend auf dem Streukoeffizienten oder dem Absorptionskoeffizienten. Ferner kann das Abbildungszentrum 95 ein Amplitudenmodulationssystem oder ein CW-System anstatt des TRS-Systems verwenden, um die Auflösung für einige Arten von Bildern zu erhöhen.
Bezugnehmend auf die 9 und 9A ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des optischen Kopplungssystems ein Scan-Koppler 160. Der Scan-Koppler 160, welcher aufgebaut ist zur Abbildung von Brustgewebe, verwendet ein spektroskopisches Abbildungssystem, das in der Anmeldung WO 93/25145 oder in der Anmeldung WO 96/16596 beschrieben ist. Das Scan-System 160 umfasst einen optischen Koppler 162, der eine kubische oder zylindrische Form besitzen kann und mit einem optischen Medium 164 gefüllt ist. Der optische Koppler 162 wird über der Brust 8 nahe der Brustwand angeordnet. Wie oben beschrieben wurde, können die optischen Eigenschaften, der Druck und das Volumen des Mediums 164 durch ein externes System gesteuert werden, das mit dem Koppler über einen Satz von Schläuchen bzw. Leitungen verbunden ist. Das optisch passende Fluid (z. B. zweimal verdünnte J&J Baby Lotion) ist innerhalb einer nachgiebigen, optisch transparenten Barriere enthalten. Die Innenwände des Kopplers 162 können mit einem Film überzogen sein, der Licht im sichtbaren oder Nahe-Infrarot-Bereich zurück zu dem passenden Fluid reflektiert, um ein Entkommen von Photonen von der Gewebeoberfläche zu verhindern. Der optische Koppler kann unterschiedliche Größen besitzen oder kann ein einstellbares Volumen besitzen, so dass der Koppler einen ausgewählten Abstand zwischen der Brustoberfläche und den Innenwänden aufweisen kann. (Der bevorzugte Abstand ist ungefähr 1 cm, aber für ein sehr kleines Gewebe wird ein größerer Abstand bevorzugt, um halb-unendlichen bzw. semi-infinite Grenzbedingungen zu erreichen.) Somit ist der Koppler auch zweckmäßig zur Untersuchung einer kleinen Brust oder nach einer chirurgischen Entfernung des Brustgewebes. Nach Anbringen des Kopplers 162 wird das Volumen des Mediums 164 angepasst bzw. eingestellt, so dass die Barriere eng um die untersuchte Brust 8 passt. Alternativ dazu ist das optische Medium ein nachgiebiger Feststoff, beispielsweise ein absorbierendes Gel, das kugelförmige bzw. sphärische, metallische oder Oxid-Partikel oder mattierte Glasperlen als Streumittel enthält, oder ein geeignetes Kunststoffmaterial.
9A zeigt einen Satz von Kopplern 162A und 162B zum gleichzeitigen Scannen beider Brüste. An jedem Koppler sind Quellen-Detektor-Sonden (168A, 168B, 168C, 168D, 169A, 169B, 169C, 169D) befestigt, die eine oder mehrere optische Quellen oder Detektoren umfassen, die oben beschrieben wurden. Die Sonden sind auf einer Schiene 170 beweglich. In einem automatischen Positionierungssystem ist jede Sonde mit einem Servomotor (Schrittmotor) verbunden, der von einem Controller bzw. einer Steuereinrichtung betrieben wird. Abhängig vom spektroskopischen System kann eine Faser 172 (aus 9) verwendet werden, um an einem Detektieranschluss 174 Strahlung zu sammeln, die in dem untersuchten Gewebe gewandert ist, und die Strahlung mit einem Detektor koppeln. Alternativ dazu kann die Faser 172 dazu verwendet werden, um an einem Eingabeanschluss 174 Strahlung mit dem untersuchten Gewebe zu koppeln.
Bei einem elektro-optischen Scan-Vorgang hält ein Computer-Controller koordinierte Positionen der Sonden bezüglich der ausgewählten Kombination der Sender und Empfänger aufrecht. Der Scan-Vorgang wird auf einer einzigen Brust durchgeführt oder gleichzeitig auch auf der daneben liegenden Brust. Die Empfindlichkeit des gleichzeitigen Scan-Vorgangs wird erhöht durch Messen eines Differenzsignals. Ein Computer zeigt das detektierte Signal oder das Differenzsignal in einem dreidimensionalen Koordinatensystem an. Um die Auflösung zu erhöhen, kann ein Kontrastmittel (z. B. Cardio-Grün, Indocyan-Grün), das vorzugsweise in einem Tumor 9 akkumuliert wird, intravenös injiziert werden. Mehrere Scan-Vorgänge werden durchgeführt, um die Zeitabhängigkeit der Abnahme bzw. des Zerfalls zu beobachten und eine Stelle mit einer vermuteten Anomalie zu identifizieren. Das System kann auch den Streukoeffizienten und den Absorptionskoeffizienten der vermuteten Anomalie und des umgebenden Gewebes berechnen.
Bezugnehmend auf die 10 und 10A ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ein optischer Koppler 181 am entfernt gelegenen bzw. distalen Ende eines Katheters 180 angeordnet. Der Katheter 180 umfasst mindestens zwei optische Leitungen 184 und 190, die am nahe gelegenen bzw. proximalen Ende mit einem Faserverbindungskasten 182 (z. B. einen Multiplexer oder einem Sequenzer) verbunden sind. Der optische Koppler umfasst mindestens einen Eingabeanschluss 186 und mindestens einen Detektieranschluss 192, die um einen ausgewählten Abstand voneinander getrennt sind, sowie eine optische Barriere 189, die so aufgebaut ist, dass sie eine direkte Wanderung der Strahlung zwischen den Anschlüssen verhindert. Der Eingabeanschluss 186 und der Detektieranschluss 192 können auch ausgewählte optische Medien 188 bzw. 194 umfassen. Vor der spektroskopischen Untersuchung können die optischen Leitungen 184 und 190 zur Beleuchtung und Beobachtung des internen Gewebes verwendet werden. Am distalen Ende kann der Katheter 180 einen aufblasbaren Ballon 183 umfassen. Wenn der Ballon 183 aufgeblasen ist, drückt er die optischen Anschlüsse 186 und 192 oder das nachgiebige optische Medium 188 und 194 gegen das untersuchte Gewebe.
Alternativ dazu kann der Katheter 180 an seinem distalen Ende einen optischen Koppler 200 umfassen, der in 10B gezeigt ist und zur Untersuchung oder langfristigen Überwachung von Gehirngewebe (oder anderen Gewebe) eines sich noch im Uterus befindlichen Fötus konstruiert und angeordnet ist. Der optische Koppler 200 umfasst einen Saugring 202 (oder einen Saugnapf), der konstruiert ist, um die optischen Anschlüsse 204 und 206 an einer ausgewählten Position zu halten, sowie ein optisches Medium 194. Der Katheter 180 wird entweder durch den Geburtskanal oder durch die Bauchwand der Mutter in den Uterus eingeführt.
Alternativ dazu kann der optische Koppler 200 konstruiert sein für visuelle und spektroskopische Untersuchung von ausgewähltem internen Gewebe, beispielsweise der Cervix, dem Uterus, dem Gastrointestinal-Trakt, dem Harntrakt, der Bronchien, und anderem Gewebe. Der Katheter 180 wird über eine Körperöffnung oder transkutan in den ausgewählten Gewebebereich eingeführt. Optische Leiter 184 und 190 werden zunächst von einem Arzt dazu verwendet, um das interne Gewebe zu lokalisieren, zu visualisieren und zu untersuchen. Wenn der Arzt einen Gewebebereich lokalisiert, welcher weitere Untersuchung erfordert, positioniert er die optischen Eingabe- und Detektieranschlüsse für spektroskopische Untersuchung unter Verwendung eines Spektralphotometers, das mit dem proximalen Ende des Katheters 180 optisch gekoppelt ist. Die spektroskopische Untersuchung wird durchgeführt durch Detektieren von zurückgestreutem Licht, das von dem Eingabeanschluss zu dem Detektieranschluss gewandert ist, oder durch Detektieren von fluoreszierendem Licht, das in dem untersuchten Gewebe erregt wird. Abhängig von der Art der Untersuchung ist das Spektralphotometer eines der oben genannten CWS-, TRS-, PMS- oder Phasenanordnungsspektralphotometer, oder es ist ein Spektralphotometer, das beschrieben ist in den U.S. Patenten 4,930,516, 5,042,494, 5,106,387, 5,131,398 oder 5,261,410.
Der Katheter 180 kann auch ein Biopsiezubehör umfassen zur Biopsieprobenentnahme von einem Gewebebereich, der zuvor von dem Spektralphotometer untersucht wurde. Die Biopsie wird nur dann durchgeführt, wenn die spektroskopische Untersuchung ein möglicherweise abnormales Gewebe anzeigt. Somit beseitigt die anfängliche spektroskopische Untersuchung eine wesentliche Anzahl von Biopsien und spart die damit in Verbindung stehenden Kosten.
Bezugnehmend auf die 11 und 11A ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Spektralphotometer auf einem Katheter 210 (z. B. einem endoskopischen Katheter) angeordnet, welcher einen aufblasbaren Ballon 212 und eine Endoskop-Optik 214 umfassen kann. Der Spektralphotometer (z. B. ein TRS-Puls-, PMS-, CW- oder Phasenanordnungsspektralphotometer) umfasst Lichtquellen 216 und 218, die auf Bahnen 217 bzw. 219 beweglich sind, sowie zentral angeordnete Detektoren 220 und 222. Ein optisches Medium 224 umgibt zumindest teilweise die Quellen und die Detektoren. Beim Betrieb wird der Katheter 210 mit nicht aufgeblasenem Ballon durch eine Körperöffnung bzw. einen Körperraum (Körper-Lumen) zu der interessierenden Position gebracht, beispielsweise geführt durch Fluorimetrie oder durch endoskopische Beobachtung. Der Ballon wird dann aufgeblasen, um das optische Medium 224 gegen das interessierende Gewebe zu drücken. Die Technik und die Vorrichtung können beispielsweise angewandt werden auf Körperräume wie beispielsweise den Gastrointestinal-Trakt bzw. GI-Trakt (z. B. für Messungen der Wand des Gastrointestinal-Trakts) oder auf Blutgefäße unter Verwendung des angiographischen Katheters zur Analyse und zur Behandlung von Okklusionen.
Ein umfassendes System kann vielen Krankenhaussystemen dienen einschließlich der Übertragung von Vitalsignalen vom Krankenbett, vom Operationssaal, von der Intensivstation oder der Notaufnahme zu einem bestimmten Computer. Das System kann eine große Anzahl von Optroden-Wandlern umfassen, die alle Lebenszeichen (Blutdruck, Puls, Temperatur, Atmung), Elektrokardiogramm, Elektroenzephalogramm, Serum-Elektrolyt-Pegel sowie alle Merkmale von medizinischer optischer Abbildung bzw. medizinischen optischen Bildgebungsverfahren messen kann (z. B. die einfachste Detektion von Blutungen, die Sauerstoffsättigung bzw. Anreicherung von Hämoglobin, die Abbildung von möglichen Gefahren, wie beispielsweise einem Schlaganfall, ein Aneurysma-Riss und das Auftreten einer Hirnblutung). Diese Information könnte durch einzelne optische Fasern geleitet werden mit einer geeigneten Umwandlung oder Übertragung auf ein jeweils optimales Übertragungsverfahren einschließlich eines hoch entwickelten PCM-Verfahrens.

Claims

Ein optisches Kopplungssystem, welches folgendes aufweist: ein Spektralphotometer mit mindestens einer optischen Quelle und einem Detektor; eine Quellensonde mit mindestens zwei optischen Fasern (20, 20A, 20B, 20C, 72, 72A, 72B, 120), die beabstandete Enden aufweisen, und zwar positionierbar direkt an dem Gewebe, wobei jedes beabstandete Ende einen Eingabeanschluss (19, 19A, 73, 73A, 73B, 121) bildet, und zwar ausgelegt zur Einführung von optischer Strahlung in das untersuchte Gewebe, wobei die Fasern nahegelegene Enden aufweisen, und zwar ausgelegt und angeordnet zur Bildung von mindestens einem Kopplungsanschluss (74, 74A, 74B) zum Empfang der erwähnten Strahlung von der erwähnten mindestens einen Quelle und zur gleichzeitigen Einführung von Strahlung in das untersuchte Gewebe von mindestens zwei Eingabeanschlüssen der beabstandeten Enden; wobei die erwähnte mindestens eine Quelle und der erwähnte mindestens eine Kopplungsanschluss in zusammenarbeitender Weise angeordnet sind, um gleichzeitig die erwähnte Strahlung mit einem bekannten zeitlich sich verändernden Muster einzuführen; und eine Detektionssonde einschließlich mindestens einer optischen Faser (22, 75, 124) mit einem entfernt gelegenen Ende, welches direkt am Gewebe positionierbar ist, wobei das erwähnte entfernt gelegene Ende einen Detektieranschluss (21, 21', 76, 76A, 76B, 125) bildet, und zwar ausgelegt zum Empfang von Strahlung, die in dem untersuchten Gewebe gewandert ist, wobei die erwähnte Faser ein nahegelegenes Ende besitzt, und zwar ausgelegt und angeordnet zur Bildung von mindestens einem Kopplungsanschluss (77, 77A, 77B) zur Übertragung der detektierten Strahlung zu dem optischen Detektor.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei die optischen Fasern an dem erwähnten Eingabeanschluss oder dem erwähnten Detektieranschluss ein optisches passendes Medium aufweisen, und zwar angeordnet zur Erreichung einer gewünschten Kopplung der Strahlung.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei ferner ein optisches Medium mindestens teilweise um das Gewebe und die optischen Anschlüsse herum angeordnet ist und ausgewählte Streu- oder Absorptionseigenschaften zeigt.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei die optischen Fasern an einem Tragglied wie Borsten einer Haarbürste angebracht sind und angeordnet sind zur Übertragung von Strahlung zu und von Gehirngewebe in Zonen, wo der Schädel von Haar bedeckt ist.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei ferner ein Bewegungsmechanismus vorgesehen ist, und zwar derart konstruiert, dass die Bewegung des Detektieranschlusses zu einer anderen Stelle relativ zum untersuchten Gewebe ermöglicht wird.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei die optischen Eingabeanschlüsse symmetrisch bezüglich einer Stelle des Detektieranschlusses positioniert sind.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 6, wobei die erwähnten Eingabeanschlüsse und der Detektieranschluss in einer Übertragungsgeometrie angeordnet sind.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 6, wobei die erwähnten Eingabeanschlüsse und der Detektieranschluss in einer Rückstreugeometrie angeordnet sind.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei die erwähnte mindestens eine Quelle für die erwähnte simultane Einführung von Strahlung in das Gewebe mit einem bekannten, zeitlich veränderlichen Muster derart angeordnet ist, daß eine sich ergebende eingeführte Strahlung mit einem beträchtlichen Photonendichtegradienten in mindestens einer Richtung gebildet wird.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 8, wobei die Quellensonde eine Vielzahl von Eingabeanschlüssen aufweist, und zwar angeordnet zur Bildung einer eindimensionalen Anordnung oder einer zweidimensionalen Anordnung.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 3, wobei das optische Medium feste Teilchen mit einer sphärischen Oberfläche aufweist.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei die Fläche des optischen Detektieranschlusses größer ist als die Fläche der optischen Eingabeanschlüsse.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 4, wobei die Eingabe- und Detektieranschlüsse mit einem Abstand zwischen 3 cm und 8 cm angeordnet sind.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei die Eingangs- und Detektieranschlüsse auf einer Außenoberfläche des Kopfes positionierbar sind.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 1, wobei ferner folgendes vorgesehen ist: eine zweiterwähnte Quellensonde einschließlich mindestens zwei optischer Fasern mit entfernt gelegenen oder beabstandeten Enden positionierbar direkt am Gewebe, wobei jedes beabstandete Ende einen Eingabeanschluss bildet, und zwar ausgelegt zur Einführung optischer Strahlung in das untersuchte Gewebe, wobei die Fasern nahegelegene Enden aufweisen, und zwar ausgelegt und angeordnet zur Bildung von mindestens einem Kopplungsanschluss zur Aufnahme der Strahlung von der Quelle und zur gleichzeitigen Einführung von Strahlung in das untersuchte Gewebe von den erwähnten entfernt gelegenen Enden; und eine zweiterwähnte Detektionssonde einschließlich mindestens einer optischen Faser mit einem entfernt gelegenen oder beabstandeten Ende positionierbar direkt an dem Gewebe, wobei das erwähnte entfernt gelegene Ende einen Detektieranschluss bildet, und zwar ausgelegt zum Empfang von Strahlung, die in dem untersuchten Gewebe gewandert ist, wobei die Faser ein nahegelegenes Ende aufweist, und zwar ausgelegt und angeordnet zur Bildung von mindestens einem Kopplungsanschluss für die Übertragung der detektierten Strahlung zu dem erwähnten optischen Detektor.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 15, wobei die Eingangs- und Detektieranschlüsse der Quellen und Detektionssonden relativ zu einem Kopf in der Weise positionierbar sind, dass die ersten und zweiten Geweberegionen oder -zonen innerhalb der kontralateralen Hirnhälften liegen.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 15, wobei die Eingangs- und Detektieranschlüsse der Quellen- und Detektionssonden relativ zu weiblichen Brüsten in einer Art und Weise positionierbar sind, dass die ersten und zweiten Geweberegionen oder -zonen innerhalb der rechten und der linken Brust liegen.
Optisches Kopplungssystem nach Anspruch 4, wobei die entfernt gelegenen Enden der erwähnten Fasern ein optisches Material aufweisen, und zwar angeordnet an jeder Spitze der Faser und ausgelegt zur effizienten Kopplung von Licht zwischen der Faser und dem biologischen Gewebe.
Optisches Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner eine MRI-Spule zur Verwendung mit einem MRI-System ausgelegt ist, wodurch eine gemeinsame optische Gehirngewebeuntersuchung und MRI- bzw. Kernspin-Untersuchung ermöglicht wird.
Optisches Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ferner ein Anschluss ausgelegt und angeordnet ist für eine Nadellokalisierungsprozedur.
Optisches Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dieses ferner derart ausgelegt ist, dass eine Ultraschallsonde aufgenommen werden kann, die in einer Ultraschalluntersuchung verwendet wird, welche gleichzeitig mit oder darauffolgend auf die optische Untersuchung des Gewebes ausgeführt wird.
Optisches Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektralphotometer derart ausgelegt und angeordnet ist, dass es ein Spektralphotometer mit kontinuierlicher Welle ist.
Optisches Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektralphotometer einen Lateralisationsdetektor umfasst.
Optisches Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektralphotometer derart ausgelegt und angeordnet ist, dass es ein Phasenmodulations-Spektralphotometer ist.
Optisches Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektralphotometer derart ausgelegt und angeordnet ist, dass es ein Spektralphotometer der zeitaufgelösten Bauart ist.
Optisches Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektralphotometer derart ausgelegt und angeordnet ist, dass es ein Phasenanordnungsspektrometer ist.
Optisches Kopplungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Spektrometer derart ausgelegt und angeordnet ist, dass es ein Spektralphotometer der Phasenanordnung ist, und zwar unter Verwendung von Auslöschmessungen.