Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, um den physiologischen Zustand
der menschlichen Dermis optisch nicht-invasiv zu bestimmen. Gesunde, alte und auch
durch bestimmte Krankheiten veränderte Dermiseigenschaften werden so für
den Anwender erfassbar.
Eine veränderte Mikrozirkulation des Blutes in der Haut tritt
bei einigen Erkrankungen, z.B. Diabetes, vor Ausbruch der manifestierten Krankheit
auf und verfestigt sich im Krankheitsverlauf. Dabei ist die neural und neuronal-humorale
Regulation des cutanen Blutflusses gestört. Nach Behandlung der Haut mit Acetylcholin
oder Natriumnitroprusside kann so z.B. eine veränderte Mikrozirkulation beobachtet
werden. Besonders auffällig ist aber die vasodilatorische Thermoregulation
gestört.
So tritt bei einer Temperaturerhöhung der Haut bei verschlechterter
Glucosetoleranz und schlechteren nüchtern Blutzuckerwerten eine veränderte
Durchblutung der Kapillargefäße auf. Dieser Effekt lässt sich in
geringer Gewebetiefe mittels Laser Doppler Durchflussmessung reproduzierbar an den
Zehen und Fingern beobachten. Mit zunehmender Eindringtiefe verliert der Laserstrahl
in der stark streuenden Haut seine kohärente Eigenschaft, so dass nur bis zu
einer Eindringtiefe von 200 &mgr;m diese veränderte Durchblutung beobachtet
werden kann. Die Dermis beginnt je nach Hautbereich in 100 &mgr;m Tiefe an Handflächen
und Fußsohlen erst ab 800 &mgr;m.
Nichtinvasive Techniken zur Erfassung der Blutfülle in mehreren
Tiefen oder des ganzen Extremitätensegment (Plethysmographie) stellen z.B.
die Wasser-Plethysmographen dar, die als übertragenes Medium Wasser nutzen,
welches den Extremitätenbereich in der Regel durch eine Gummimembran getrennt
dicht anliegend umgibt. Die Luft-Plethysmographen bedienen sich einer flexiblen,
luftgefüllten Manschette. Dadurch können Volumenänderungen des Messareals
in Druckänderungen der Luft in die Manschette übertragen und bestimmt
werden. Bei der Plethysmographie mittels Quecksilber-Dehnungsmeßstreifen werden
Umfassungsmessungen des Messareals durchgeführt, und von diesem wird auf Volumenänderungen
zurück geschlossen. Es ist auch bekannt, dass die Änderung der Blutfülle
eines Körperareals parallel mit Änderungen des elektrischen Widerstandes
einhergeht. Auf diesem Effekt basieren die Methoden der elektrischen Rheographie
und der Impedanz-Plethysmographie. Durch die verstärkte Durchblutung nimmt
der Sauerstoffgehalt des Gewebes zu. Optisch erfassbar ist dies durch die veränderte
Remission des Blutes im sichtbaren und nahinfraroten Wellenzahlenbereich.
Durch die starke Wasserabsorption des Lichtes verschiedener Wellenlängen
im Gewebe ist es möglich, die relative Veränderung des Wassergehaltes
in verschiedenen Tiefen des Gewebes zu bestimmen. Anhand der Kombinationsbande des
Wassers ist dieses durch die sehr starke Absorption nur in der Hautoberfläche
und Epidermis zu erkennen. Die zweite bis vierte Obertonbande des Wassers liegen
im optischen Fenster der Haut und gestatten eine Summenaussage über den Wassergehalt
in der Epidermis, Dermis und noch tiefer liegenden Gewebe. Der physiologische Zustand
der menschlichen Dermis bezüglich des Wassergehaltes kann anhand der zweiten
bis vierten Obertonbande daher nur wie bei den bekannten Plethysmographen in Summe
erfasst werden. Am ehesten deutlichsten wird aber eine veränderte Mikrozirkulation
an der ersten Obertonbande des Wassers.
In Patentschrift CA 2442675,
WO 02/082989 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die optisch das
vaskuläre Verhalten der Haut auch im Wellenlängenbereich der Obertonbande
des Wassers bei verschiedenen Temperaturen, nicht aber gleichzeitig den Anpressdruck
des Hautbereichs auf die Vorrichtung erfasst. Die Absorption der ersten Obertonbande
des Wassers im Gewebe wird aber durch, den Anpressdruck z.B. einer Fasersonde oder
eines Heizelementes stark verändert. Eine interpretation der Absorptions oder
Remmissionswerte der ersten Obertonbande des Hautgewebes lassen sich ohne diese
zusätzliche Information des Anpressdruckes nicht oder nur sehr undeutlich interpretieren.
Optische Vorrichtungen, die in diesem Wellenlängenbereich anpressdruckabhängige
Spektren aufnehmen können, sind aus der Patentliteratur wie z.B.
DE 42 42 083, WO 9118548 bekannt. Diese
Patente haben aber nicht zum Ziel, den physiologischen Zustand der menschlichen
Dermis bestimmbar zu machen, sondern den Blutzuckerspiegel möglichst exakt
zu erkennen.
Einhergend mit einer veränderten Mikrozirkulation in der Dermis
treten weitere optisch nicht-invasiv erfassbare Effekte auf, die es ermöglichen
dessen physiologischen Zustand besser zu bestimmen. So tritt im Alter und bei einigen
Erkrankungen, z.B. Diabetes, eine Veränderung der Kollagenstruktur des Bindegewebes
in der Dermis auf. Bei Diabetes ist zudem die optische Dichte der Erythrozyten verändert
und die Erythrozyten aggregieren bei niedriger Blutflussgeschwindigkeit eher, und
bei höheren Blutflussgeschwindigkeiten lösen sich diese Aggregate schlechter
auf. In Folge lässt sich im Wellenzahlenbereich zwischen 13000 cm–1
und 7000 cm–1 eine erhöhte Streuung des remittierten Lichtes
von der Haut beobachten und mit Hilfe der anpressdruck- und temperaturabhänigen
Absorption der ersten Obertonbande besser interpretieren.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin,
eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen die in der Lage ist sowohl die anpressdruck-
und temperaturabhänigen Absorption der ersten Obertonbande als auch die Streuung
des Gewebes im Wellenzahlenbereich zwischen 13000 cm–1 und 7000
cm–1 zu erfassen.
Vorrichtung zur Bestimmung eines physiologischen Zustandes der menschlichen
Dermis, gekennzeichnet durch
eine Erfassungseinheit bestehend aus einen Gehäuse mit Drucksensoren die den
Anpressdruck der Haut auf einen optischen Messkopf erfassen der aus dem Gehäuse
herausragt;
wenigstens ein Heizelement welches mit dem Gehäuse und dem Messkopf verbunden
ist und mit wenigsten einem Temperaturfühler der mit dem Messkopf verbunden
ist;
wenigstens einer Lichtquelle im Wellelängenbereich zwischen 300 nm und 20000
nm die im Gehäuse befestigt ist und im optischen Kontakt zu der auf dem Messkopf
aufgelegten Haut liegt;
wenigstens zwei Sensoren für die remittierte optische Strahlung der Haut die
im Gehäuse mit diesem fest verbunden sind und im optischen Kontakt zu der auf
dem Messkopf aufgelegten Haut liegt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung in
1 beispielhaft dargestellt.
Schematische Darstellung der bevorzugten Ausführung der Vorrichtung
zur Bestimmung eines physiologischen Zustandes der menschlichen Dermis. Ein Gehäuse
h (offen Dargestellt) seht auf den Auflagen c die mit Drucksensoren verbunden sind.
Mit dem Gehäuse h verbunden ist ein Fasermesskopf mit Temperaturfühler
a. Dieser ragt aus dem Gehäuse heraus, so dass dieser der Haut als Auflage
dient. Der Fasermesskopf ist an ein Heizelement b befestigt (hier in Schnittdarstellung)
welches wiederum mit dem Gehäuse verbinden ist. Über Lichtleitfasern wird
die auf den Fasermesskopf gelegte Haut mit einer Weißlichtquelle d und einen
Nahinfrarotlichtquelle e beleuchtet. Das remittierte Licht der Quelle d wird mit
einem Spektrometer g erfasst und das remittierte Nahinfrarotlicht der Quelle e von
einen Infrarot Sensor f erfasst. Die Lichtquellen sowie das Spektrometer und der
Infrarot Sensor befinden sich, fest mit dem Gehäuse verbunden in demselben.
Die von den Sensoren ausgegebenen analogen elektrischen Signale des Drucksensoren
der Auflagen c, des Spektrometers g, und des Infrarot Sensors f werden mittels A/D
Wandler digitalisiert und in einem Rechner gespeichert, sowie mit zuvor aufgenommenen.
Daten verglichen und der daraus ermittelte physiologische Zustand der Dermis auf
dem Bildschirm des Rechners dargestellt.
Der Rechner und die A/D Wandler sind in dieser Ausführungsform
nicht im Gehäuse untergebracht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind diese ebenfalls mit dem Gehäuse fest verbunden und in demselben untergebracht.
An einer Seitenfläche des Gehäuses ist in dieser Ausführungsform
ein Bildschirm zur Ausgabe der Daten befestigt. Das Gehäuse ist in
1 kastenförmig gestaltet. In einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform ist die Gehäuseform aus der Draufsicht eiförmig.
In der 1 dargestellten Ausführungsform stehen die
Lichtquellen d und e sowie die Sensoren f und g über Lichtleitfasern mit der
Hautoberfläche in optischen Kontakt. In einer weiteren Ausführungsform
wird dieser optische Kontakt zur Hautoberfläche durch ein transparentes Fenster
aus Quarzglas erzielt. In einer weiteren Ausführungsform lässt sich die
Anzahl der Lichtquellen auf eine reduzieren sofern diese, wie es z.B. bei einer
Xenon Lampe der Fall ist, in infraroten Spektralbereich eine ausreichende Strahlungsstärke
besitzt.
