WO2000033730A1 - Detektionssonde für die tiefenauflösende licht-spektroskopie und spektrometrie - Google Patents

Detektionssonde für die tiefenauflösende licht-spektroskopie und spektrometrie Download PDF

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Lutz Ott
Alfons Krug
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0059—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons using light, e.g. diagnosis by transillumination, diascopy, fluorescence

Definitions

  • the invention relates to detection probes for depth-resolving light spectroscopy and spectrometry.
  • optical fibers can be placed bluntly on the tissue in a specific arrangement, which determines the detection depth and the depth resolution.
  • the fibers (illumination fiber 1, detection fibers 2) are glued into a corresponding fiber holder 3 (material: eg PEEK, stainless steel) or fixed with a casting compound (eg epoxy casting compound Epo-Tek 301-2) at predetermined intervals to one another. Appropriate materials must be used for reasons of biocompatibility.
  • FIG. 1 also shows the tissue 4, into which light from the fiber 1 is coupled, and the paths 5 of the scattered light, which are received by the individual detection fibers 2.
  • a right-angled detection of the scattered light is preferably provided with a fiber guided parallel to the tissue surface and with a deflection of the light between 0 ° and 180 °, preferably by 90 °, with at least one mirror surface.
  • the invention allows the detection probes to be built particularly flat, as a result of which the size is reduced and handling is improved. Similar to the electrodes, the electrodes can easily be attached to an electrocardiogram and are not perceived as annoying because the Place the "leads" flat against your body and do not stand vertically away from them.
  • Fig. 7 probes with attachment options.
  • the light deflection is achieved by quartz fibers 7.
  • the quartz fibers 1 and 2 for the illumination and the detection of the backscattered light are embedded in a casting compound 8, which forms a fiber holder 3, as in the arrangement according to FIG. 1.
  • the fibers 1 and 2 are not guided perpendicular to the surface of the fabric, but run essentially parallel to the surface of the fabric 4.
  • quartz fibers 7 are now at the end of each fiber 1, 2 provided, which are ground at right angles, polished and then mirrored. These surfaces form the surface mirrors 6, which deflect the light from the fiber 1 onto the tissue 4 and deflect the light backscattered from the depth of the tissue into the fibers 2.
  • These quartz fibers 7 are at an angle of a minimum of 100 ° to a maximum of 170 °, preferably of 135 °, against the detection fibers 1.
  • Manufacture 3 mm The required diameter depends on the fiber spacing and thus on the desired depth detection. Because of the distance of the fiber ends from the fabric surface, the spatial resolution is somewhat reduced, i.e. the detected area is enlarged in accordance with the numerical aperture of the fiber and the distance between the tissue surface and the fiber end. When reflecting on the mirrored surfaces, some light is lost, which affects both the lighting and the detection.
  • the deflection of the light is achieved by a mirrored prism 9.
  • a mirrored prism 9 is provided.
  • the prism 9 is cast in at a short distance from the fibers 1, 2 together with these.
  • the deflecting surface mirror 6 lies on the side of the fiber 1, 2 and the fabric 4 facing Glass prism 9.
  • the light is deflected on the outside of the prism 9.
  • the deflection of the light is achieved by an epoxy prism 10 cast onto the fiber ends of the fibers 1, 2.
  • the fibers are cast in a cuboid shape at the desired distance with the protruding epoxy casting compound.
  • the end of this epoxy block is ground at a minimum of 100 ° to a maximum of 170 °, preferably below 135 °, with respect to the fiber axis, polished and reflectively coated, which creates the reflecting mirror.
  • the reflection takes place within the prism 10.
  • the support disc is cast. This is necessary to protect the reflective coating. Grinding the prism to the epoxy cuboid is much easier than grinding a mini prism made of glass. With careful Manufacturing the mold can even be done without grinding and polishing the mirror surface.
  • the deflection of the light is achieved by a plurality of cast-on epoxy prisms 11 on offset fibers 1 and 2.
  • Each of the prisms 11 in turn contains a reflective coating.
  • the probe for the depth-resolved detection of the laser Doppler signal must be miniaturized.
  • a diameter of ⁇ 3 mm is desirable in order to be able to use the working channel of common endoscopes.
  • the distances between the detection fibers 2 cannot be reduced arbitrarily.
  • the diameter or the lateral extent of the detection probe is primarily determined by the distance between the fibers 2. For relevant detection depths of a few millimeters, the diameter cannot be less than 2 mm. These designs are therefore not suitable for endoscopic use. 5, the required detection distance can be achieved by axially displacing the fibers 1, 2. For this purpose, a prism 11 must be cast on each fiber 1, 2. With a suitable mold for all fibers 1, 2, this can be done in one operation. The prisms 11 must be mirrored. To protect the reflective layer 14, the fiber bundle must be poured into a thin jacket again.
  • FIG. 5 shows a further possibility of deflecting light perpendicular to the fibers of the sensor, with which technology the most diverse angles can be realized.
  • FIG. 5 The technology of FIG. 5 is based on the possibility of being able to design almost any light guide structure based on PMMA materials. This enables deflection angles manufactured using structural technology, which previously could not be achieved due to the limited bending radii of the fibers.
  • the exemplary embodiments according to FIGS. 2, 3, 4 are supplemented by a chamber system according to FIG. 6, which already prevents the undesired light transition from one to the next measuring channel directly in the sensor head.
  • the decisive factor is the interruption of the light distribution from one channel to another channel between the inclined reflecting surfaces 6 (in the left partial image the prism surfaces 10, in the right partial image the quartz fiber ends 7) by a good absorber 12 or a reflector. It is important to avoid that light gets from one channel to the other. This can be done through opaque materials or through gaps that prevent light from being transmitted.
  • the back of the sensor preferably consists of a broadband, highly absorbent material.
  • holes or eyelets 13 can be provided on the edge of the probe in the casting compound 8, with which the sensor is sewn onto the myocardium or other internal organs for attachment.
  • the arrangement of the holes or eyes 13 is freely selectable.
  • the security concept developed for this purpose provides for the safe use of LED light via two additional channels, which is then picked up again via a detection fiber. The emitted LED light can only be detected when the sensor head is resting on the tissue. This means that the laser source is only switched on via this safety circuit when the sensor lies on the tissue and not when it emits into the free space and could inadvertently cause damage. A corresponding number of channels must be integrated in the sensors required here.
  • the additional advantage of this embodiment is that the requirements to be overcome for the CE approval decrease, since the foot switch can now be dispensed with and the sensor head now only contains optical signals and no electrical signals. For this purpose, the devices fall into a lower protection class with regard to the leakage currents to be met.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Detektionssonde für die Lichtspektroskopie und/oder Lichtspektrometrie in Gewebe (4) mit Lichtleitfasern (1, 2), wobei mindestens eine Faser (1) Licht in das Gewebe (4) einleitet und andere Fasern (2) rückgestreutes Licht empfangen. Erfindungsgemäß sind Umlenkeinrichtungen (Spiegel 6, Faser 7, Prismen 9, 10, 11) für das Licht vorgesehen. Dadurch wird erreicht, daß die Sonde wesentlich flacher baut und besser handhabbar ist (Fig. 2).

Description

Bezeichnung: Detektionssonde für die tiefenauflösende Licht- Spektroskopie und Spektrometrie
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf Detektionssonden für die tiefenauflösende Licht-Spektroskopie und Spektrometrie.
Es gibt bereits verschiedene Möglichkeiten, um das im Gewebe gestreute Licht in Abhängigkeit vom Abstand zur Beleuchtungsquelle zu detektieren. Neben der Verwendung von Photodetektorarrays direkt auf der Gewebeoberfläche besteht die Möglichkeit, das Licht mit einer Anordnung von Lichtleitern zu den Detektoren zu übertragen.
Bei einer bekannten Ausführung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, können Lichtleitfasern in einer bestimmten Anordnung, die die Detektionstiefe und die Tiefenauflösung bestimmt, stumpf auf das Gewebe aufgesetzt werden. Dabei sind die Fasern (Beleuchtungsfaser 1, Detektionsfasern 2) in eine entsprechende Faserhalterung 3 (Material: z.B. PEEK, Edelstahl) eingeklebt oder mit einer Gießmasse (z.B. Epoxy- Gießmasse Epo-Tek 301-2) in vorher festgelegten Abständen zueinander fixiert. Aus Gründen der Biokompatibilität müssen entsprechende Werkstoffe verwendet werden. Gezeigt ist in Figur 1 weiterhin das Gewebe 4, in welches Licht aus der Faser 1 eingekoppelt wird, und die Wege 5 des gestreuten Lichtes, das von den einzelnen Detektionsfasern 2 aufgenommen wird. Wegen der verhältnismäßig ungünstigen Hebelverhältnisse muß eine solche Detektionssonde eine breite Basisplatte aufweisen, um sie sicher befestigen zu können. Durch die Verwendung von mehr als drei Fasern 1,2 wird das zuführende Faserkabel ziemlich steif, woraus große Biegeradii und damit ein großer Platzbedarf resultieren.
Durch die direkte Einkopplung des Streulichts in die Faser ist die Effektivität der bekannten Anordnung sehr hoch. Dies geht allerdings auf Kosten einer komfortablen Handhabung und Befestigung. Bei dieser Art der Lichtdetektion ist ein Faserdurchmesser beginnend von 50 um bei einem Faserabstand von 0,3 mm ausreichend.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die Baugröße der Detektionssonde zu verringern und die Handhabung zu verbessern.
Zur Lösung der Aufgabe ist eine Detektionssonde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Bevorzugt ist eine rechtwinklige Detektion des gestreuten Lichtes vorgesehen mit einer parallel zur Gewebeoberfläche geführten Faser und mit einer Umlenkung des Lichts zwischen 0° und 180°, bevorzugt um 90°, mit wenigstens einer Spiegelfläche.
Durch die Erfindung lassen sich die Detektionssonden besonders flach bauen, wodurch die Baugröße verringert und die Handhabung verbessert ist. Die Elektroden lassen sich ähnlich den Elektroden bei einem Elektrokardiogramm leicht befestigen und werden auch nicht als störend empfunden, da die "Zuleitungen" flach am Körper anliegen und nicht senkrecht davon wegstehen.
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen: Fig. 2, 3, 4, 5 und 6 jeweils Ausführungsformen erfindungsgemäßer
Detektionssonden und
Fig. 7 Sonden mit Befestigungsmöglichkeiten.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 wird die Lichtumlenkung durch Quarzfasern 7 erzielt. Dazu sind die Quarzfasern 1 und 2 für die Beleuchtung und die Detektion des rückgestreuten Lichtes wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 in eine Gießmasse 8 eingebettet, welche eine Faserhalterung 3 bildet.
Erfindungsgemäß sind die Fasern 1 und 2 aber nicht senkrecht zur Gewebeoberfläche geführt, sondern laufen im wesentlichen parallel zur Oberfläche des Gewebes 4. Um das Licht umzulenken, sind nun am Ende jeder Faser 1, 2 Quarzfasern 7 vorgesehen, die stirnseitig rechtwinklig geschliffen, poliert und anschließend verspiegelt sind. Diese Flächen bilden die Oberflächenspiegel 6, die das Licht aus der Faser 1 auf das Gewebe 4 umlenken und das aus der Tiefe des Gewebes rückgestreute Licht in die Fasern 2 umlenken. Diese Quarzfasern 7 werden unter einem Winkel von minimal 100° bis maximal 170°, bevorzugt von 135° gegen die Detektionsfasern 1,
2 mit diesen zusammen vergossen, so daß die Faserenden der Fasern 7 Spiegel bilden. Diese Anordnung kann in einem Gießvorgang gefertigt werden. Allerdings ist die Montage der Fasern 7 kritisch gegenüber Verschiebung, da die verspiegelten Fasern 7 nur wenig größer sind als die Detektionsfasern 1 und 2. Auf diese Weise lassen sich Sonden mit einer Höhe von etwa
3 mm fertigen. Der erforderliche Durchmesser hängt vom Faserabstand und damit von der gewünschten Tiefendetektion ab. Wegen des Abstands der Faserenden von der Gewebeoberfläche ist die räumliche Auflösung etwas reduziert, d.h. die detektierte Fläche ist entsprechend der numerischen Apertur der Faser und des Abstands zwischen Gewebeoberfläche und Faserende vergrößert. Bei der Reflexion an den verspiegelten Flächen geht etwas Licht verloren, was sich sowohl bei der Beleuchtung als auch bei der Detektion auswirkt.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 wird die Umlenkung des Lichts durch ein verspiegeltes Prisma 9 erzielt. Zur Vermeidung der gegen Verschiebung empfindlichen Justierung der Faserenden 7 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein verspiegeltes Prisma 9 vorgesehen. Das Prisma 9 wird in geringem Abstand von den Fasern 1, 2 mit diesen zusammen eingegossen. Der umlenkende Oberflächenspiegel 6 liegt an der den Fasern 1, 2 und dem Gewebe 4 zugewandten Seite des Glasprismas 9. Die Lichtumlenkung erfolgt an der Außenseite des Prismas 9. In Kenntnis dieser und der vorherigen Ausführung kann statt des Faserendes 7 oder des Prismas 9 auch ein anderer ebener Spiegel (nicht gezeigt) verwendet werden, der allerdings richtig justiert sein muß, was bei Verwendung des Prismas 9 einfacher ist.
Auch in dieser Ausführung ist zum Herstellen einer alle Bauteile haltenden Epoxy-Gießmasse 6 nur ein Gießvorgang erforderlich. Die Montageart mit Prisma ist justierunempfindlich, allerdings ist die Herstellung der Prismen 9 mit einer Kantenlänge von ca. 2 mm und einer Länge von 5-8 mm sehr aufwendig. Ansonsten weist diese Anordnung dieselben Eigenschaften auf wie diejenige nach dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 wird die Umlenkung des Lichts durch ein an die Faserenden der Fasern 1, 2 angegossenes Epoxy-Prisma 10 erzielt. Dabei werden die Fasern in gewünschtem Abstand mit überstehender Epoxy- Gießmasse quaderförmig vergossen. Das Ende dieses Epoxy-Blocks wird unter minimal 100° bis maximal 170°, bevorzugt unter 135°, gegenüber der Faserachse geschliffen, poliert und reflektiv beschichtet, wodurch der reflektierende Spiegel entsteht. Die Spiegelung erfolgt hier also innerhalb des Prismas 10. In einem zweiten Gießvorgang wird das Auflagescheibchen gegossen. Dies ist zum Schutz der spiegelnden Beschichtung erforderlich. Das Anschleifen des Prismas an den Epoxy-Quader ist sehr viel einfacher als das Schleifen eines Mini-Prismas aus Glas. Bei sorgfältiger Fertigung der Gießform kann sogar auf das Schleifen und Polieren der Spiegelfläche verzichtet werden.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 wird die Umlenkung des Lichts durch mehrere angegossene Epoxy-Prismen 11 an versetzte Fasern 1 und 2 erzielt. Jedes der Prismen 11 enthält wiederum eine reflektierende Beschichtung.
Für den endoskopischen Einsatz muß die Sonde für die tiefenaufgelöste Detektion des Laser-Doppler-Signals miniaturisiert werden. Anzustreben ist ein Durchmesser < 3 mm, um den Arbeitskanal allgemein üblicher Endoskope nutzen zu können. Um die Tiefenauflösung zu gewährleisten, können die Abstände der Detektionsfasern 2 jedoch nicht beliebig verringert werden.
Bei den Faseranordnungen der Figuren 2 bis 4 ist der Durchmesser beziehungsweise die laterale Ausdehnung der Detektionssonde in erster Linie durch den Abstand zwischen den Fasern 2 bestimmt. Für relevante Detektionstiefen von einigen Millimetern kann ein Durchmesser von kleiner 2 mm nicht unterschritten werden. Damit sind diese Bauformen für den endoskopischen Einsatz nicht geeignet. Gemäß Fig. 5 kann der erforderliche Detektionsabstand durch axialen Versatz der Fasern 1, 2 erreicht werden. Dazu muß jeder Faser 1, 2 ein Prisma 11 angegossen werden. Dies kann bei einer geeigneten Gießform für alle Fasern 1, 2 in einem Arbeitsgang erfolgen. Die Prismen 11 müssen verspiegelt sein. Zum Schutz der reflektiven Schicht 14 muß das Faserbündel nochmals in einen dünnen Mantel eingegossen werden. Die Figur 5 zeigt eine weitere Möglichkeit der Lichtumlenkung senkrecht zu den Fasern des Sensors, wobei mit dieser Technologie die verschiedensten Winkel realisierbar sind.
Die Technologie von Fig. 5 basiert auf der Möglichkeit, nahezu beliebige Lichtleiterstrukturen auf der Basis von PMMA- Materialien entwerfen zu können. Hiermit sind Umlenkwinkel gefertigt in Strukturtechnik möglich, die durch beschränkte Biegeradien der Fasern zuvor nicht realisierbar waren.
Die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 2, 3, 4 werden durch ein Kammernsystem gemäß Fig.6 ergänzt, welches den ungewünschten Lichtübergang von einem zum nächsten Meßkanal schon unmittelbar im Sensorkopf verhindert. Entscheidend ist die Unterbrechung der Lichtverteilung von einem Kanal zu einem anderen Kanal zwischen den schrägstehenden, reflektierenden Flächen 6 (im linken Teilbild den Prismenflächen 10, im rechten Teilbild den Quarzfaserenden 7) durch einen guten Absorber 12 oder einen Reflektor. Wichtig ist zu vermeiden, daß Licht von einem Kanal zum anderen gelangt. Dies kann durch lichtundurchlässige Materialien erfolgen oder durch Spalte, die eine Lichtweiterleitung verhindern. Die Rückseite des Sensors besteht bevorzugt aus einem breitbandig hochabsorbierendem Material.
Entsprechend Fig. 7 können für Anwendungen in der Kardiologie und Inneren Medizin Löcher oder Ösen 13 am Sondenrand in der Gießmasse 8 angebracht sein, mit oder an denen der Sensor am Myocard oder anderen inneren Organen zur Befestigung aufgenäht wird. Die Anordnung der Löcher oder Ösen 13 ist frei wählbar. Für den Einsatz in der klinischen Praxis ist es wünschenswert, auf den Einsatz des Fußschalters zum bewußten Einschalten der Laserleistung zu verzichten, um auch Langzeituntersuchungen durchführen zu können. Das hierfür entwickelte Sicherheitskonzept sieht vor, über zwei zusätzliche Kanäle unbedenklich anwendbares LED-Licht zu emittieren, das über eine Detektionsfaser wieder aufgefangen wird. Das ausgesandte LED-Licht kann nur detektiert werden, wenn der Sensorkopf am Gewebe aufliegt. Somit wird über diese Sicherheitsschaltung die Laserquelle nur dann eingeschaltet, wenn der Sensor auf dem Gewebe aufliegt und nicht, wenn er in den freien Raum emittiert und dabei unbeabsichtigt Schäden verursachen könnte. Bei den hier erforderlichen Sensoren muß eine entsprechende Anzahl von Kanäle integriert sein.
Der zusätzliche Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß die zu überwindenden Anforderungen für die CE-Zulassung sinken, da nun auf den Fußschalter verzichtet werden kann und der Sensorkopf nur noch optische und keine elektrischen Signale mehr beinhaltet. Hierzu fallen die Gerätschaften in eine niedrigere Schutzklasse bezüglich der zu erfüllenden Ableitströme.

Claims

Patentansprüche
1. Detektionssonde für die Lichtspektroskopie und/oder Lichtspektrometrie in Gewebe mit Lichtleitfasern (1, 2), wobei mindestens eine Faser (1) Licht in das Gewebe (4) einleitet und andere Fasern (2) rückgestreutes Licht empfangen, dadurch gekennzeichnet, daß Umlenkeinrichtungen für das Licht vorgesehen sind.
2. Detektionssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Umlenkeinrichtungen feste oder bewegliche Prismen
(9, 10, 11), feste oder bewegliche Spiegel (6), feste oder bewegliche Linsen, angeschliffene Oberflächen, behandelte Lichtleitstrukturen, im Radius gebogene Lichtleiter, Fasern
(7) und/oder in Indexmaterialien geformte Lichtleitstrukturen vorgesehen sind.
3. Detektionssonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Faser (1, 2) eine Strahlumlenkung erfährt, wobei die Umlenkung im Bereich von 45° bis 135° erfolgt, insbesonders um 90°, und wobei die zugeführten Fasern (1, 2) bevorzugt parallel zur Gewebeoberfläche geführt sein.
4. Detektionssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für Laser-Doppler- und/oder gewebespektrometrische Messungen jede Strahlumlenkung eines Kanals unabhängig von den anderen ist, insbesondere kein optisches Ubersprechen zwischen den Meßkanälen durch getrennte Strahlführung auftritt. Detektionssonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fasern des' Sensors mitbenutzt werden für die Bestimmung des Sensorabstandes zum Gewebe, wobei als Sendelichtquelle amplitudenmoduliertes und/oder phasen-moduliertes Licht vorgesehen ist.
PCT/EP1999/009583 1998-12-07 1999-12-07 Detektionssonde für die tiefenauflösende licht-spektroskopie und spektrometrie WO2000033730A1 (de)

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