DE19640807A1

DE19640807A1 - Verfahren und Vorrichtung zur nichtinvasiven optischen Erfassung der Sauerstoffversorgung eines Patienten

Info

Publication number: DE19640807A1
Application number: DE1996140807
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Abraham-Fuchs; Helmut Dipl Phys Reichenberger; Oliver Dipl Phys Dr Schuetz
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1996-10-02
Filing date: 1996-10-02
Publication date: 1997-09-18

Description

Klinisch angewandt werden nichtinvasive Verfahren der Oxime trie in großem Umfang bei der sogenannten Pulsoximetrie, bei der z. B. ein Finger mit Licht geeigneter Wellenlängen durch strahlt wird. Ebenso ist die Überwachung der Sauerstoffversor gung der Gehirnoberfläche, z. B. des Fötus während der Geburt durch auf der Kopfhaut applizierte optische Sensoren bekannt (US 5,494,032).

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur nichtinva siven optischen Erfassung der Sauerstoffversorgung von Organen wie z. B. Gehirn oder Leber, sowie des Föten, zu entwickeln, wenn diese durch relativ dicke Gewebeschichten vom Detektor getrennt sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruches 1.

Basis der Erfindung ist, die Sauerstoffversorgung eines Or gans, wie z. B. des Gehirns, der Leber oder auch eines ungebo renen Kindes, nichtinvasiv durch Oximetrie mittels Laserlicht geeigneter Wellenlängen zu diagnostizieren.

Genutzt wird dabei die Eigenschaft, daß Gewebe relativ trans parent für sichtbares Licht, NIR- und IR-Licht ist. Durch Wahl geeigneter Wellenlängen (mindestens zwei) ist es daher mög lich, die Gewebeoxigenierung zu bestimmen (z. B. Pulsoxime trie). Da bei der nichtinvasiven Oximetrie zur Diagnose der Sauerstoffversorgung z. B. des ungeborenen Kindes relativ dicke Gewebeschichten durchstrahlt werden müssen, kann die sehr hohe Streueigenschaft des Gewebes für Licht im oben ge nannten Wellenlängenbereich nicht vernachlässigt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung und

Fig. 2 das Blockschaltbild für die Vorrichtung gemäß Fig. 1.

In der Fig. 1 ist ein Meßobjekt 1 dargestellt, das durch eine Schicht 2 von der Körperoberfläche getrennt ist. Die Schicht 2 ist in eine tieferliegende Schicht 3 und eine oberflächennahe Schicht 4 aufgeteilt. Zur Messung ist eine Laser-Lichtquelle 5 vorgesehen, die einen Lichtstrahl aussendet, der entweder di rekt oder über eine Faseroptik 6 auf die Körperoberfläche 7 gerichtet wird. Das Laserlicht wird gestreut und von einem Ma trix-Detektor 8 erfaßt und in entsprechende elektrische Si gnale gewandelt. Die Lichtquelle 5 kann auch von mehreren Ein zel-Lichtquellen, z. B. Dioden, gebildet sein.

Die Fig. 2 zeigt den von der Lichtquelle 5 ausgesandten Licht strahl 9, der auf den Patienten 10 auftrifft. Das rückge streute Licht (Pfeile 11) wird vom Detektor 8 erfaßt und über eine Elektronik 12 einer digitalen Auswerteeinheit 13 zuge führt, die die Lichtquelle 5 steuert.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit einem Strahlteiler 14, der einem kalibriertem Meßphantom 15 einen Referenzstrahl zuführt. Das vom Meßphantom 15 rückgestreute Licht (Pfeile 16) wird von einem ebenfalls als Matrix ausgebildetem Detektor 17 erfaßt und entsprechende Signale durch eine Elektronik 18 der Auswerteeinheit 13 zugeführt.

Aufgrund der starken Streuung im Gewebe durchläuft das Licht einen näherungsweise bananenförmigen Gewebebereich vom Ein strahlpunkt zum Detektionspunkt. Die mittlere Eindringtiefe hängt dabei wesentlich vom Sender-Detektor-Abstand ab, d. h. je größer der Sender-Detektor-Abstand ist, um so größer ist die mittlere Eindringtiefe des detektierten Lichtes.

Mittels der Diffusionstheorie ist es möglich, aus den Meßdaten rückzurechnen auf optischen Streu- und Absorptionskoeffizien ten

Mit R(ρ) ist die Intensität des rückgestreuten Lichtes im Ab stand ρ vom Sender bezeichnet, I₀ ist die applizierte Lichtin tensität,

µ′_s der reduzierte Streukoeffizient,

und A der Reflexionsfaktor, abhängig vom Brechungsindex von Gewebe.

Für eine quantitative Bestimmung ist jedoch unter anderem die Kenntnis der applizierten Lichtleistung I₀ notwendig. Dieses Problem kann wie folgt umgangen werden: Es wird vorgeschlagen, das Licht der Lichtquelle 5 aufzuteilen, so daß bei genau be kanntem Teilungsverhältnis

der eine Teilstrahl 9 das Meßobjekt durchläuft, der Referenzstrahl 16, z. B. bei glei cher Optrodenanordnung wie am Meßobjekt, d. h. gleichem Optro denabstand, das kalibrierte Meßphantom 15 mit bekannten opti schen Parametern (Fig. 2). Durch geeignete Auswertung der rückgestreuten Intensitäten im Abstand ρ z. B.

werden Schwankungen der Lichtquelle 5 eliminiert und haben dadurch keinen Einfluß mehr auf die Bestimmung der opti schen Parameter. Mit dieser Meßkonfiguration ist es dann mög lich, bei homogenen Proben die unbekannten optischen Eigen schaften (Absorptionskoeffizient, reduzierter Streukoeffizi ent) quantitativ zu bestimmen, indem mehrere Messungen bei verschiedenen Optrodenabständen durchgeführt werden.

Es wird vorgeschlagen, bei mehreren Wellenlängen obige Messun gen durchzuführen, da dann aus den optischen Eigenschaften des Meßobjektes bei den entsprechenden Wellenlängen der Oxigenie rungsgrad des Meßobjektes bestimmt werden kann.

Um der unterschiedlichen Gewebezusammensetzung am lebenden Ob jekt Rechnung zu tragen, wird vorgeschlagen, mit obiger Meß anordnung bis zu einem Abstand von typisch einigen Zentimetern von der Lichtquelle in Inkrementen von typischerweise einigen Millimetern das rückgestreute Licht zu detektieren, in der Da tenanalyse mindestens je zwei Meßpunkte zu einem Auswertein tervall zusammenzufassen und für jedes Auswerteintervall die mittleren optischen Gewebeparameter zu bestimmen (Fig. 1).

Im Auswerteintervall mit kleinen Sender-Detektor-Abständen von z. B. 5 mm bis 10 mm erstreckt sich die bananenförmige Licht verteilung im wesentlichen z. B. auf die unter der Haut lie gende Fettschicht. Entsprechend werden deren optische Parame ter bestimmt, wenn in diesem Auswerteintervall bei mehreren Sender-Detektor-Abständen die rückgestreute Lichtintensität detektiert wird. Im nächstgrößeren Auswerteintervall erfaßt die Lichtverteilung sowohl die oberflächennahe Fettschicht als auch z. B. den tieferliegenden Bauchmuskel. Wird nun auch in diesem Auswerteintervall bei mehreren Sender-Detektor-Abstän den die rückgestreute Lichtintensität detektiert, wird obige Auswertung optische Absorptions- und Streukoeffizienten lie fern, die eine gewichtete Mittelung der entsprechenden Gewebe schichten darstellen.

Da die optischen Eigenschaften der oberflächennahen Schicht 4 bei kleinen Abständen bestimmt wurden, können aus den Daten bei größeren Abständen die optischen Eigenschaften der tiefer liegenden Schicht berechnet werden. Durch sukzessives Auswer ten der folgenden Auswerteintervalle lassen sich somit für jede Gewebeschicht die optischen Parameter bestimmen und wenn, wie vorgeschlagen, zusätzlich bei mehreren geeigneten Wellen längen gemessen wird, läßt sich auch der Oxigenisierungszu stand bestimmen.

Vorgeschlagen wird, obiges Verfahren für mindestens zwei unab hängige Lichtwege durchzuführen, deren Signale korreliert aus gewertet werden. Als unabhängige Lichtwege wird verstanden, daß z. B. die eine Meßreihe mit entsprechender Sender-Empfän ger-Anordnung links am Bauch der Mutter durchgeführt wird, die zweite gleichzeitig rechts am Bauch. Als unabhängige Lichtwege wird auch verstanden, z. B. am Patienten die eine Meßreihe mit Sender-Detektor in Richtung oben nach unten durchzuführen, die andere Meßreihe z. B. mit Sender-Detektor in Richtung links nach rechts.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, mit nur einem Sender, aber z. B. einem Detektorarray in x-Richtung und einem zweiten Detektorarray in y-Richtung Oximetrie an Or ganen oder am Föten durchzuführen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, mit einem zweidimensionalen Detektorarray die rückgestreuten Lichtintensitäten als Funktion des Sender-Detektor-Abstandes zu erfassen. Die Position des Senders kann dabei am Rand des zweidimensionalen Detektorarrays liegen oder zentral, wobei in geeigneter Weise das Senderlicht durch entsprechende Vorrich tungen (z. B. Bohrung im Detektorarray) dem Meßobjekt zuge führt wird.

Als Sonderfall wird folgende Ausführung vorgeschlagen: Da bei größeren Sender-Detektor-Abständen die optischen Eigenschaften oberflächennaher Schichten zwischen Lichteintrittszone und Lichtaustrittszone verschieden sein können, wird vorgeschla gen, die gleiche Messung durchzuführen, jedoch Lichteinstrahl punkt und Detektionspunkt zu vertauschen. Technisch läßt sich das z. B. wie folgt realisieren: Das Licht wird von der Licht quelle mittels Faser zum Meßobjekt geführt, entsprechend das zu detektierende Licht mittels Faser zum Detektor. Durch z. B. einen optischen Schalter lassen sich dann sehr schnell Ein strahl- und Detektionspunkt vertauschen.

Um die Meßanordnung unempfindlich gegen Umgebungslicht zu ma chen, wird vorgeschlagen, die Lichtsignale in der Intensität zu modulieren (lock in-Technik). Dadurch ist es auch möglich, während der Messung mit mehreren Wellenlängen gleichzeitig zu arbeiten, wenn deren Modulationsfrequenz leicht unterschied lich ist, z. B. 10 mHz plus/minus einige kHz.

Um die Meßanordnung unempfindlich gegen Störungen quasiperi odischer Vorgänge, wie Atmung oder Herzaktivität des Patien ten, bzw. von Mutter und Fötus bedingten Störeinflüssen wie Abstands- oder Lageänderungen, zu machen, wird vorgeschlagen, die Messungen mit der Atemfrequenz synchronisiert durchzufüh ren und auszuwerten und/oder mit EKG oder Puls zu korrelieren.

Um bei Messungen am Föten aus dem Meßsignal das fötale und das mütterliche Oxigenierungssignal separieren zu können, wird vorgeschlagen, über bekannte Verfahren (Ultraschall, fötaler Herzschall oder EKG) die Messung zusätzlich mit dem Herzschlag des Kindes zu synchronisieren.

Vorgeschlagen wird, Lichtquelle (Sender) bzw. Detektoren (Empfänger) bzw. die entsprechende Faseroptik mit anderen Ap plikatoren zu kombinieren, wie

a) Ultraschallwandler (B-Bild zur Abstandsmessung von der Haut bis zur Organoberfläche, z. B. Cortex, Leber, Kopf oder Rücken des Föten)
b) Elektroden für mütterliches/kindliches EKG
c) Druckaufnehmer für Wehendruck
d) Atemsensor

Zur Realisierung wird folgendes festgehalten:

1. Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Untersuchung von Gewebe mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen.
Derartige Vorrichtungen können mit sichtbarem, NIR- oder IR-Licht arbeiten. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes liegt zwischen 380 nm und 780 nm, die von NIR-Licht, d. h. Nah-Infrarot-Licht, zwischen 780 nm und 1500 nm und die von IR-Licht, also infrarotem Licht, zwischen 1500 nm und 1 mm, wobei für die Vorrichtung der eingangs genannten Art der Wellenlängenbereich von 500 nm bis 1200 nm besonders geeignet ist.
2. Als Lichtquelle kommen z. B. Laserdioden oder LEDs mit geeigneter Emissionswellenlänge in Frage.
3. Die Ankopplung des Lichtes an das Meßobjekt kann z. B. direkt oder mit Lichtleiter/Faseroptik realisiert werden.
4. Detektion des rückgestreuten Lichtes in verschiedenen Abständen, z. B. in 5 mm-Abständen, von Sender-Detektor- Abstand 5 mm bis größer 150 mm, gleichzeitig oder seriell.
5. Die Detektoren können direkt am Meßobjekt angekoppelt sein oder aber das rückgestreute Licht wird ebenfalls mit Glasfasern aufgenommen und zu den Detektoren geleitet. Als Detektoren kommen entsprechende Anordnungen von bekannten, empfindlichen und schnellen Lichtempfängern in Frage. Besonders vorteilhaft sind Arrays von Detektoren, wie sie bei Photodioden, aber auch Avalanche-Photodioden verfügbar sind. Ahnliches gilt für Multianodenphotomultiplier bzw. ortsempfindliche Photomultiplier, die mehrere Detektoren in einer Röhre vereinen.
6. Zur Unterdrückung des Fremdlichtsignals wird die lock-in- Technik angewandt, d. h. Modulation der Lichtintensität mit bis zu mehreren MHz, wobei die Lichtquellen I_t bis I_n mit Modulationsfrequenzen f₁ bis f_n betrieben werden.
7. Wenn die rückgestreuten optischen Signale eine kritische Schwelle unterschreiten, z. B. wenn der die Lichtquelle enthaltende Applikator sich vom Meßobjekt gelöst hat, erfolgt eine automatische Sicherheitsabschaltung der Lichtquellen (Laserschutz).
8. Digitalisierung der einzelnen spektralen rückgestreuten Lichtanteile mittels eines ADCs im Multiplex-Verfahren oder mittels mehrerer ADCs gleichzeitig, um im Computer durch geeignete Algorithmen die Signale dann entsprechend auszuwerten.
9. Digitalisierung des Atmungssignals, gemessen z. B. mit einem Atemsensor, mittels ADC, um die optischen Meßsignale auf Atmung von Mann/Frau triggern zu können, d. h. Atmung_Mann/Frau synchrones Mitteln der optischen Meßsignale.
10. Digitalisierung des Herzschlagsignals, gemessen z. B. mit EKG oder Puls, mittels ADC, um die optischen Meßsignale auf Herzschlag von Mann/Frau korrelieren zu können.
11. Für die Oximetrie am Föten zusätzlich Triggerung der Meßsignale auf kindliches EKG zum Puls_Kind synchronen Mitteln der Daten.
12. Signalauswertung (1. Ausführung):
- a) Korrelieren der optischen Signale der verschiedenen Lichtwege bei gleichem Sender-Detektor-Abstand,
- b) Korrelieren der Daten mit Atmungs-/Herzaktivität,
- c) Bestimmung der jeweils mittleren optischen Gewebeparameter für die einzelnen Sender-Detektor- Abstände,
- d) Bestimmung (z. B. aus Ultraschallbildern) der individuellen Geometrie der Patienten oder Mutter wie z. B. Schichtdicken der einzelnen Gewebekomponenten. Mit diesen Daten und der Kenntnis der ungefähren optischen Eigenschaften läßt sich z. B. mit FEM die Lichtausbreitung in oben beschriebener Meßanordnung näherungsweise berechnen. Wenn diese bananenförmige Lichtausbreitungszonen für alle Sender-Detektor- Abstände einmal bekannt sind, können mit den Daten aus
- (c) und diesem Model die optischen Eigenschaften des Meßobjektes quantitativ für die verschiedenen Tiefenlagen berechnet werden.
- e) Aus den in (d) bestimmten Absorptionskoeffizienten bei verschiedenen Wellenlängen wird die Oxigenierung für die verschiedenen Gewebeschichten berechnet.
- f) Aus den bei verschiedenen Sender-Detektor-Abständen gemessenen Signalen wird derjenige Abstand von Sender- Detektor bestimmt, bei dem die fötale Pulsmodulation der Oxigenierung (d. h. ein Oxigenierungssignal, das phasensynchron zum kindlichen Herzschlag ist) gerade sichtbar wird. Die Signale bei kleineren Sender- Detektor-Abständen (als dieser so bestimmte Abstand) werden dann zur Bestimmung der mütterlichen optischen Gewebeeigenschaften und einer entsprechenden Korrektur des Gesamtsignals verwendet, um den fötalen Anteil des Oxigenierungssignals möglichst fehlerfrei bestimmen zu können.

Claims

1. Vorrichtung zur nichtinvasiven optischen Erfassung der Sauerstoffversorgung eines Patienten mit einer Laser-Licht quelle (5), die einen Lichtstrahl (9) auf das Meßobjekt (10) richtet und einem Detektor (8), der das aus dem Meßobjekt (10) austretende Licht detektiert und einer Verarbeitungs schaltung (12, 13) zuführt, bei der die Lichtquelle (5) Licht unterschiedlicher Wellenlängen ausstrahlen kann, bei der der Detektor (8) als Detektorarray mit mindestens drei Einzelde tektoren ausgebildet ist und bei der die Signale der Einzel detektoren derart verknüpft werden, daß das Sauerstoff-Sätti gungssignal des untersuchten Organs von den Störsignalen des darüber liegenden Gewebes getrennt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Referenzstrahl (16) auf ein Meßphantom (15) gerichtet wird, dem ein weiterer Detektor (17) zugeordnet ist, wobei die Detektorausgangs signale in einer Auswerteeinheit (13) verglichen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Detektorarray li near ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der mehrere lineare De tektorarrays vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Detektorarrays im Winkel zueinander angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Einzeldetektoren auf einer beliebigen Fläche angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Lichtsignale in der Intensität moduliert sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Messungen mit Körperfunktionen synchronisiert sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Lichtquelle (5) und/oder der Detektor (8) mit anderen Appli katoren kombiniert sind.

10. Verfahren zur Signalauswertung bei der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem für die einzelnen Sen der-Detektor-Abstände jeweils die mittleren optischen Gewebe parameter und daraus die Oxigenierung bestimmt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die optischen Gewebe parameter bestimmt werden, indem auf der Basis von anatomi schen Schnittbildern der Lichtausbreitungsweg berechnet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10 zur Bestimmung des Sauer stoffstatus eines Fötus, bei dem aus den bei verschiedenen Sender-Detektor-Abständen gemessenen Signalen derjenige Ab stand bestimmt wird, bei dem die fötale Pulsmodulation des Oxigenierungssignals gerade sichtbar wird, wobei die Signale bei kleineren Abständen zur Korrektur des Einflusses des müt terlichen Gewebes verwendet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die Signale der ver schiedenen Lichtwege bei gleichem Sender-Detektor-Abstand korreliert werden.