DE202006016617U1 - Device for measuring the energy metabolism of living tissue by laser spectroscopy comprises a laser and an optoelectronic unit connected to a probe and an analysis and display unit through disconnectable interfaces - Google Patents

Device for measuring the energy metabolism of living tissue by laser spectroscopy comprises a laser and an optoelectronic unit connected to a probe and an analysis and display unit through disconnectable interfaces Download PDF

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Abstract

Device for measuring the energy metabolism of living tissue by laser spectroscopy comprises a pulsed laser and an optoelectronic unit with a direct current supply, each screened from interfering radiation, where the optoelectronic unit comprises optical detectors, each with an optical filter and a pulse amplifier, and an analog/digital converter. The laser and optoelectronic unit are connected to a measuring probe through disconnectable interfaces and the optoelectronic unit is connected to an analysis and display unit through a disconnectable interface.

Description

Die Erfindung betrifft ein Messgerät für die laserspektroskopische Erfassung und Registrierung des Energiestoffwechsels von lebendem Gewebe an der Stelle des Aufsetzens einer Messsonde auf das zu untersuchende Gewebe, insbesondere einer zylinderförmigen Lichtleitfasermesssonde für die Erfassung von lokal eng begrenzten Messobjekten in der Größenordnung von Zellen. Dabei wird laserspektroskopisch die Anzahl der in den Zellen an der Energiegewinnung beteiligten Biomoleküle NADH erfasst, die in den Mitochondrien den aus den Kohlenwasserstoffen der Nahrung gewonnenen Wasserstoff zum Sauerstoff transportieren. Aus den Messwerten sind Rückschlüsse auf die Sauerstoffversorgung des Gewebes und damit auf dessen Gesundheitszustand möglich. Da auf diese Weise Sauerstoffmangel im Gewebe um etwa 2 Größenordnungen empfindlicher nachgewiesen werden kann als mit der in den Kliniken üblichen Pulsoximetrie, besitzt diese laserfluoreszenzspektroskopische Methode ein beträchtliches diagnostisches Potential für die Zukunft.The The invention relates to a measuring device for the Laser spectroscopic registration and registration of the energy metabolism of living tissue at the site of placement of a probe on the tissue to be examined, in particular a cylindrical Lichtleitfasermesssonde for the Capture of locally narrow measuring objects in the order of magnitude of cells. In this case, laser spectroscopy, the number of in the Cells involved in energy harvesting NADH biomolecules detected in the mitochondria from the hydrocarbons transport the hydrogen obtained from the food to oxygen. From the measured values are conclusions on the oxygen supply of the tissue and thus on his state of health possible. There in this way oxygen deficiency in the tissue by about 2 orders of magnitude can be detected more sensitively than with the usual in the clinics Pulse oximetry, has this laser fluorescence spectroscopic method a considerable diagnostic Potential for the future.

Dabei sind für die Diagnostik handliche Messgeräte gefragt, die leicht zu bedienen sind und dem Anwender gut ablesbare Ergebnisse und auch Trendverläufe in Abhängigkeit von der Zeit liefern.there are for the diagnostics handy measuring devices asked, which are easy to use and user-readable Results and trends dependent on deliver from time.

Es sind verschiedene Anordnungen zur Erfassung der NADH-Fluoreszenz von lebendem Gewebe bekannt. Beispielsweise werden in der DD227044 und der DE 4016234 Lösungen beschrieben, bei denen Impulslaser und Mehrfaserlichtleiteranordnungen verwendet wurden. Entsprechend dem damaligen Stand der Technik wurden zum Nachweis der Durchführbarkeit des Verfahrens Laboraufbauten verwendet, die mit Bauelementen ausgestattet waren, die stets nachjustiert werden mussten und somit nicht transportabel und für die Erzielung reproduzierbarer Messergebnisse nicht geeignet waren. Für die medizinische Anwendung sind aber handliche, leicht bedienbare Geräte erforderlich, die verlässliche Messergebnisse liefern.Various arrangements for detecting NADH fluorescence from living tissue are known. For example, in the DD227044 and the DE 4016234 Described solutions in which pulse lasers and multi-fiber optic assemblies were used. In accordance with the state of the art at the time, to demonstrate the feasibility of the method, laboratory constructions were used which were equipped with components which always had to be readjusted and thus were not transportable and were not suitable for achieving reproducible measurement results. For medical applications but handy, easy-to-use devices are required to provide reliable measurement results.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein transportables, robustes, zuverlässiges Messgerät zur Beurteilung des Energiestoffwechsels zur Verfügung zu stellen, das für verschiedene Anwendungsfälle in der medizinischen Diagnostik, wie Sauerstoffüberwachung in der Geburtshilfe, Überwachung des Energiestoffwechsels bei Transplantaten, Erfassung von Sauerstoffmangel in Organen und Geweben bei Operationen einsetzbar ist und bei unterschiedlichen Einsatzfällen genaue und reproduzierbare Ergebnisse liefert.task It is the object of the invention to provide a portable, robust, reliable measuring device for evaluation of the energy metabolism available for different use cases in medical diagnostics, such as oxygen monitoring in obstetrics, monitoring the energy metabolism in transplants, detection of oxygen deficiency can be used in organs and tissues during operations and at different use cases provides accurate and reproducible results.

Diese Aufgabe wird mit einem Messgerät mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Dabei wird ein kompaktes Messgerät für die laserspektroskopische Erfassung des Energiestoffwechsels von lebendem Gewebe verwendet, an das über SMA-Buchsen die Lichtleitfaserkanäle geeigneter Messsonden für unterschiedliche Anwendungen angeschlossen werden können. Diese Messsonden leiten die von einem ins Messgerät integrierten Impulslaser erzeugten Laserlichtimpulse, die für die Messung erforderlich sind, über einen Lichtleiterkanal zur Messstelle und bringen von dort über zwei getrennte Lichtleiterkanäle die auszuwertenden zeitlich korrelierten Messlichtimpulse zum Messgerät zurück. Diese Messlichtimpulse werden im Messgerät verarbeitet und die daraus erhaltenen Daten über eine USB-Buchse an eine an das Messgerät angeschlossene Auswerte- und Anzeigeeinheit weitergegeben.These Task is done with a measuring device solved with the features of the protection claim 1. This is a compact gauge for the Laser spectroscopic recording of the energy metabolism of living Tissue used on the over SMA sockets the fiber optic channels suitable measuring probes for different applications can be connected. These Measuring probes conduct from a pulsed laser integrated in the measuring device generated laser light pulses required for the measurement are about a fiber optic channel to the measuring point and bring from there over two separate fiber optic channels the time-correlated measuring light pulses to be evaluated back to the measuring device. These Measuring light pulses are processed in the measuring device and the resulting received data about a USB socket to an evaluation device connected to the meter. and display unit passed.

Der Impulslaser mit zugehörigem Netzteil und die optoelektronische Baugruppe mit Gleichspannungsversorgung sind jeweils von gesonderten störstrahlungsfesten Abschirmungen umschlossen. Die optoelektronische Baugruppe umfasst mindestens zwei optische Empfänger, die zur Erfassung und Verstärkung der relativ schwachen Lichtimpulse als SEV's ausgebildet sind, wobei deren Empfindlichkeitsmaximum im blauen Spektralbereich liegt. Ihnen sind optische Filter vorgeschaltet, von denen ein optische Filter im Fluoreszenzmesskanal liegt und eine maximale Durchlässigkeit im Spektralbereich zwischen 420 nm und 480 nm besitzt während der andere optische Filter, der im Referenzkanal angeordnet ist, als Kantenfilter mit einem Durchlässigkeitsbereich unter 400 nm ausgeführt ist. An die SEV's sind unmittelbar jeweils Impulsverstärker mit Sample/Hold-Ausgängen angeschlossen, die die Signale über einen A/D-Wandler an eine USB-Buchse weitergeben.Of the Pulse laser with associated Power supply unit and the optoelectronic module with DC power supply are each of separate Störstrahlungsfesten Shields enclosed. The optoelectronic assembly comprises at least two optical receivers, the capture and reinforcement the relatively weak light pulses are formed as SEVs, with their maximum sensitivity lies in the blue spectral range. They are preceded by optical filters, of which an optical filter is located in the fluorescence measuring channel and a maximum permeability in the spectral range between 420 nm and 480 nm has during the other optical filters located in the reference channel than Edge filter with a transmission range below 400 nm is. To the SEV's Immediately each pulse amplifier with sample / hold outputs are connected, the signals over an A / D converter to a USB socket pass on.

Der Ausgang des Impulslasers und die Eingänge der optoelektronischen Baugruppe sind jeweils über lösbare Trennstellen mit der Messsonde verbunden. Diese ist messgeräteseitig mit SMA-Steckern versehen. Eine Buchse ist für den Anschluß an den Laser und zwei Buchsen sind für die Zuleitung zu den optischen Empfängern vorgesehen. Messobjektseitig schließt die Messsonde mit einer ebenen Stirnseite ab, die auf das Messobjekt, d.h. das lebende Gewebe aufgesetzt wird.Of the Output of the pulse laser and the inputs of the optoelectronic Assembly are each about releasable Separation points connected to the probe. This is the measuring device side provided with SMA plugs. A socket is for connection to the Laser and two sockets are for provided the supply line to the optical receivers. Measurement object side includes the measuring probe with a flat front face, which points to the measuring object, i.e. the living tissue is put on.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The Invention will be explained below with reference to an embodiment. The associated drawings demonstrate:

1: Darstellung des Messgerätes 1 : Presentation of the measuring device

2: Anordnung der wesentlichen Baugruppen im Messgerät 2 : Arrangement of the essential components in the measuring device

3: Prinzipieller Aufbau einer Messsonde 3 : Basic structure of a measuring probe

1 zeigt eine Ausführungsform des Messgerätes, bei der der von der Abschirmung La umgebene Impulslaser IL mit Netzteil L und die mit der Abschirmung Ba umschlossene elektrooptische Baugruppe B mit Gleichspannungsversorgung GV in einem gemeinsamen Gehäuse 1 angeordnet sind. Dieses ist mit einem Handgriff H ausgestattet und besitzt außer dem Netzanschluss N eine USB-Buchse U für den Anschluss einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung A, die beispielsweise ein Laptop sein kann, sowie 3 SMA-Buchsen B9, B10, B11 für den Anschluss der optischen Messsonde M. 1 shows an embodiment of the measuring in which the pulsed laser IL, which is surrounded by the shield La, has the power supply L and the electro-optical assembly B, which is enclosed by the shield Ba, has a DC power supply GV in a common housing 1 are arranged. This is equipped with a handle H and has in addition to the mains connection N a USB socket U for connecting an evaluation and display device A, which may be a laptop, for example, and 3 SMA sockets B9, B10, B11 for connecting the optical Measuring probe M.

2 zeigt schematisch in Draufsicht die Anordnung der wesentlichen Baugruppen im Gehäuse 1 des Messgerätes. Der Impulslaser IL mit Netzteil L ist allseitig mit einer elektromagnetischen Abschirmung La versehen. Das erzeugte Laserlicht wird über eine Lichtleitfaser L9 zur Buchse B9 im Gehäuse 1 übertragen. 2 shows schematically in plan view the arrangement of the essential components in the housing 1 of the measuring device. The pulsed laser IL with power supply L is provided on all sides with an electromagnetic shield La. The generated laser light is transmitted via an optical fiber L9 to the socket B9 in the housing 1 transfer.

Neben dem Impulslaser IL ist ebenfalls in einer eigenen elektromagnetischen Abschirmung Ba eine optoelektronische Baugruppe B und die Gleichspannungsversorgung GV angeordnet. Die Baugruppe B enthält die optoelektronischen Empfänger 2 und 3, denen jeweils optische Filter 4 bzw. 5 für die Lichtsignale vorgeordnet sind; die von. den jeweiligen SMA-Buchsen B10 des Fluoreszenzmesskanals bzw. B11 des Referenzkanals im Gehäuse 1 über die Lichtleitfaser L10 bzw. L11 von der optischen Messsonde M her zugeführt werden. An die SEV's schließen sich Impulsverstärker 6 und 7 mit einem Sample/Hold-Ausgang an, die die verstärkten Signale an einen Analog-/Digitalwandler 8 weitergeben, von wo sie über einen USB-Ausgang U zur weiteren Auswertung und Anzeige zur Verfügung stehen.In addition to the pulse laser IL, an optoelectronic module B and the DC voltage supply GV are likewise arranged in a separate electromagnetic shield Ba. Assembly B contains the optoelectronic receivers 2 and 3 , each with optical filters 4 respectively. 5 are arranged upstream of the light signals; the of. the respective SMA sockets B10 of the fluorescence measuring channel or B11 of the reference channel in the housing 1 be supplied via the optical fiber L10 or L11 from the optical measuring probe M forth. The SEVs are closed by pulse amplifiers 6 and 7 with a sample / hold output that sends the amplified signals to an analog / digital converter 8th from where they are available via a USB output U for further evaluation and display.

3 stellt schematisch den Aufbau einer optischen Messsonde M dar, bei der am proximalen Ende 3 einzelne Lichtleitfaserkanäle mit den SMA-Steckern S9, S10 und S11 zur Ankopplung an das Messgerät vorhanden sind, während das distale Ende der Messsonde M eine ebene Stirnseite St zum Aufsetzen auf das Messobjekt aufweist. 3 schematically illustrates the construction of an optical probe M, at the proximal end 3 individual optical fiber channels with the SMA connectors S9, S10 and S11 are provided for coupling to the measuring device, while the distal end of the measuring probe M has a flat end face St for placement on the test object.

AA
Auswerte- und Anzeigegerätevaluation and display device
BB
optoelektronische Baugruppeoptoelectronic module
B9, B10, B11B9, B10, B11
SMA-Buchsen im Gehäuse 1 SMA sockets in the housing 1
BaBa
Abschirmung der optoelektronischen Baugruppe und Gleichspannungsversorgungshielding the optoelectronic module and DC power supply
GVGV
GleichspannungsversorgungDC power supply
HH
Handgriffhandle
LL
Impulslaser mit eigenem Netzteilpulse laser with its own power supply
LaLa
Abschirmung des Impulslasers mit eigenem Netzteilshielding the pulse laser with its own power supply
LT1, LT2, LT3LT1, LT2, LT3
Lösbare LichtleitertrennstellenDetachable optical fiber separation points
L9L9
Lichtleiterkanal für die LaserimpulseFiber Channel for the laser pulses
L10L10
FluoreszenzlichtleitermesskanalFluorescent light guide measuring channel
L11L11
ReferenzlichtleitermesskanalReference optical fiber measurement channel
NN
Netzanschlussmains connection
S9, S10, S11S9, S10, S11
SMA-Stecker an der Messsonde MSMA connector at the measuring probe M
StSt
Stirnseite der Messsonde Mfront the measuring probe M
UU
USB-BuchseUSB port
11
Gehäusecasing
2, 32, 3
optische Empfängeroptical receiver
4, 54, 5
optische Filteroptical filter
6, 76 7
ImpulsverstärkerBoosters
88th
Analog-/DigitalwandlerAnalog / digital converter
9, 10, 119 10, 11
SMA-BuchsenSMA sockets

Claims (4)

Messgerät für die laserspektroskopische Erfassung des Energiestoffwechsels von lebendem Gewebe das mit mindestens einer Messsonde sowie einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulslaser (IL) mit einem zugehörigen Netzteil (L) und eine optoelektronische Baugruppe (B) mit einer Gleichspannungsversorgung (GV) jeweils von gesonderten störstrahlungsfesten Abschirmungen La bzw. Ba umschlossen sind wobei die optoelektronische Baugruppe B mindestens zwei optische Empfänger (2) und (3) mit jeweils vorgeschalteten optischen Filtern (4) und (5) sowie entsprechend zugeordnete Impulsverstärker (6) und (7) und einen A/D-Wandler (8) aufweist und der Impulslaser (IL) sowie die optoelektronische Baugruppe (B) jeweils über lösbare Trennstellen LT1 bis LT3 mit der Messsonde (M), die auf das Messobjekt/Gewebe aufsetzbar ist, bzw. die optoelektronische Baugruppe (B) über die lösbare Trennstelle U mit einer Auswerte- und Anzeigeeinrichtung (A) verbindbar ist.Measuring device for the laser spectroscopic detection of energy metabolism of living tissue which is connected to at least one measuring probe and an evaluation and display device, characterized in that a pulse laser (IL) with an associated power supply (L) and an optoelectronic assembly (B) with a DC power supply (GV) are each enclosed by separate anti-radiation shields La or Ba wherein the optoelectronic assembly B at least two optical receivers ( 2 ) and ( 3 ) with respective upstream optical filters ( 4 ) and ( 5 ) and correspondingly assigned pulse amplifiers ( 6 ) and (7) and an A / D converter ( 8th ) and the pulse laser (IL) and the optoelectronic assembly (B) in each case via detachable separation points LT1 to LT3 with the measuring probe (M) which can be placed on the test object / tissue, or the optoelectronic assembly (B) via the detachable separation point U with an evaluation and display device (A) is connectable. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulslaser (IL) mit dem Netzteil (L) und die optoelektronische Baugruppe (B) mit der Gleichspannungsversorgung (GV) mit ihren jeweiligen störstrahlungsfesten Abschirmungen (La) bzw. (Ba) in einem gemeinsamen Gehäuse (1) angeordnet sind.Measuring device according to Claim 1, characterized in that the pulsed laser (IL) with the power supply unit (L) and the optoelectronic module (B) with the DC power supply (GV) with their respective interference radiation resistant shields (La) or (Ba) in a common housing ( 1 ) are arranged. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulslaser (IL) mit seinem Netzteil (L) mit seiner störstrahlungsfesten Abschirmung (La) in einem ersten Gehäuse und die optoelektronische Baugruppe (B) mit der Gleichspannungsversorgung (GV) mit ihrer störstrahlungsfesten Abschirmung (Ba) in einem zweiten Gehäuse gesondert angeordnet sind.gauge according to claim 1, characterized in that the pulse laser (IL) with its power supply (L) with its anti-radiation shielding (La) in a first housing and the optoelectronic assembly (B) with the DC power supply (GV) with their anti-radiation resistant Shield (Ba) are arranged separately in a second housing. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrooptischen Empfänger (2) und (3) als Sekundärelektronenvervielfacher (SEVs) mit Empfindlichkeitsmaximum im blauen Spektralbereich ausgebildet sind und der optische Filter (4) als Bandpass für eine maximale Durchlässigkeit im Spektralbereich zwischen 420 nm und 480 nm und der optische Filter (5) als Kantenfilter mit einem Durchlässigkeitsbereich unter 400 nm ausgeführt ist.Measuring device according to claim 1, characterized in that the electro-optical receivers ( 2 ) and ( 3 ) as secondary electron multipliers (SEVs) with sensitivity maximum in the blue spectral range are rich and the optical filter ( 4 ) as a bandpass for a maximum transmission in the spectral range between 420 nm and 480 nm and the optical filter ( 5 ) is designed as an edge filter with a transmission range below 400 nm.
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