Diese Erfindung betrifft ein Spektrometer und insbesondere ein Gewebespektrometer für eine Anordnung innerhalb eines Körpers zur Gewebecharakterisierung.

Eine spektrale Analyse von lebendem Gewebe kann verwendet werden, um verschiedene Krebsarten und andere Krankheitstypen zu detektieren. Bei der spektralen Analyse beleuchtet Licht einen Gewebebereich zur Untersuchung, und ein Lichtdetektor detektiert optische Eigenschaften des beleuchteten Gewebebereichs durch Messen der Lichtenergie, welche durch ihre Wechselwirkung mit dem Gewebebereich modifiziert wurde, in einer vorbestimmten Frequenz- und Amplitudendomäne. Die optischen Eigenschaften umfassen Absorptions-, Lumineszenz-, Fluoreszenz-, Frequenz- und Zeitdomänenreaktionen auf verschiedene Stoffe, welche in den Gewebebereich injiziert werden, und andere elektromagnetische Reaktionen. Krankes Gewebe kann durch Vergleichen eines erhaltenen Spektrums mit Spektren des normalen Gewebes identifiziert werden, welche unter den gleichen kontrollierten Bedingungen erhalten wurden.

Aktuell verfügbare Vorrichtungen für eine Gewebecharakterisierung unter Verwendung der spektralen Analyse umfassen Nachtsicht-Abtastsysteme mit Filtern, welche zur Verwendung mit Endoskopen und mit faseroptischen Mehrkanallieferungssystemen angepasst sind. Die letzteren Systeme umfassen typischerweise eine Lichtquelle, einen optischen Leiter, einen Lichtapplikator und -empfänger, einen zweiten Lichtleiter, ein Spektrometer und eine Anzeigeeinheit. In der Tendenz sind diese Systeme sehr teuer, erfordern umfangreiche elektronische Begleitsysteme und sind so komplex, dass sie Bedienerschulung erfordern.

Die optischen Fasern, welche als optische Leiter in den faseroptischen Mehrkanallieferungssystemen verwendet werden, sind die Quelle von Konstruktionsschwierigkeiten. Um eine adäquate Menge Lichtenergie aus der Lichtquelle zu einem Gewebebereich innerhalb eines Körpers zu transportieren, muss eine Eingriffsvorrichtung eine deutliche Menge optischer Fasern aufweisen. Eine Eingriffsvorrichtung, wie beispielsweise ein Katheter, weist jedoch nicht viel Raum auf, und optische Fasern höherer Qualität, welche weniger Raum einnehmen, sind teuer.

Optischen Fasern fehlen auch die nötigen mechanischen Eigenschaften, um mit einer Eingriffsvorrichtung verwendet zu werden. Optische Fasern können beim Biegen brechen und weisen im Vergleich zu herkömmlichen Kathetermaterialien eine relativ hohe Steifigkeit auf. Deshalb ist es schwierig, eine flexible Spitze für einen Katheter zu entwerfen, welcher optische Fasern aufweist, und insgesamt ist die Flexibilität einer Eingriffsvorrichtung, welche optische Fasern aufweist, begrenzt.

Weiterhin erfordern optische Fasern einen teuren Abschlussstecker und müssen sachgerecht angeschlossen werden, um einen adäquaten Lichtdurchsatz zu gewähren. Die Signaleffizienz Faser-basierter Vorrichtungen hängt stark von der Fähigkeit der Vorrichtungen ab, ausreichend Licht der erwünschten Wellenlänge in die Fasern einzukoppeln. Zur spektralen Analyse werden gefilterte Breitband-Lichtquellen gegenüber Laserlichtquellen wegen der Kosten und der Vielseitigkeit bei der Frequenz bevorzugt. Es ist jedoch eine Herausforderung, Licht von einer Lampenquelle wirksam in Fasern mit kleinen Durchmessern einzukoppeln. Obwohl Laserlicht leichter in optische Fasern eingekoppelt werden kann, sind Laserlichtquellen im Allgemeinen teuerer, nur in ein paar ausgewählten Wellenlängen erhältlich und Gegenstand kritischerer Überwachungsvorschriften als andere Lichtquellen. Weiterhin neigt Licht, welches von dem Subjekt emittiert wird, welches von einem Laserlicht beleuchtet wird, dazu, schwach zu sein und ist auch allen Verlustmechanismen und Ineffizienzen ausgesetzt, welche ein Lasersystem problematisch machen.

Zusätzliche Hardware, wie beispielsweise Stecker und Koppler, und die Notwendigkeit, eine oder mehrere optische Leiter entlang der Längenausdehnung der Eingriffsvorrichtung bereitzustellen, machen herkömmliche Vorrichtungen, welche zur spektralen Analyse verwendet werden, relativ teuer, unzweckmäßig und vielleicht unpraktisch.

EP-A-0,314,937, US-A-5,127,407 und US-A-5,350,375 sind Patentschriften zum Stand der Technik der vorliegenden Anmeldung.

US 5,127,407 offenbart einen Sensor zum Messen der Sauerstoff-Sättigung des Blutstroms innerhalb des Schädels. Bei einer ersten Ausführungsform umfasst der Sensor einen Fotodetektor und ein Paar lichtemittierender Dioden, welche nahe dem Ende einer Länge flexibler gedruckter Verdrahtung oberflächenmontiert sind. Der Sensor wird durch eine Beschichtung aus Gummi oder aus Polymermaterial hermetisch versiegelt, welches ein optisches Fenster über dem Fotodetektor und den lichtemittierenden Dioden aufweist. Der Sensor wird durch eine Bohröffnung eingeführt, welche in den Schädel gebohrt wird und gleitet zwischen dem Schädel und der Dura des Hirns. Die lichtemittierenden Dioden werden gepulst, um Blut innerhalb der Dura und des Hirns mit Licht zu beleuchten, und Licht, welches von dem Blut reflektiert wird, wird von dem Fotodetektor empfangen und in elektrische Signale umgewandelt. Die Signale werden von einem Impulsoxymeter verarbeitet um eine Angabe der Blutsättigung bereitzustellen. Bei einer zweiten Ausführungsform sind der Fotodetektor und die lichtemittierenden Dioden an dem Ende eines Kerns komprimierbaren Schaums befestigt, welcher sich aus dem Ende einer hohlen Knochenschraube erstreckt. Beim Schrauben der Knochenschraube in eine Bohröffnung in dem Schädel berühren der Fotodetektor und die lichtemittierenden Dioden die Dura, und der Schaum wird komprimiert, um einen optischen Kontakt zwischen den elektrischen Komponenten und der Dura zu unterhalten. Licht von den Dioden wird von Blut in der Dura und dem Hirn reflektiert, von dem Fotodetektor empfangen, und die resultierenden elektrischen Signale werden von dem Impulsoxymeter verarbeitet.

EP 0,314,937 offenbart einen implantierbaren medizinischen Sensor, welcher den Sauerstoffgehalt des Bluts bestimmt. Der Sensor weist eine miniaturisierte Hybridschaltung auf, welche ein Leuchtdiodenmittel, ein Fototransistormittel und ein Substrat aufweist, mit welchem das Leuchtdiodenmittel und das Fototransistormittel in einer erwünschten Schaltungskonfiguration verbunden sind. Die Hybridschaltung ist innerhalb eines zylindrischen Körpers hermetisch abgedichtet, welcher aus einem Material angefertigt ist, welches für Licht im wesentlichen transparent ist, wie beispielsweise Glas. Durchführungsanschlüsse stellen ein Mittel zum Herstellen einer elektrischen Verbindung mit der Hybridschaltung bereit. Das Leuchtdiodenmittel wird mit einem treppenstufigen Stromimpuls angesteuert. Bei einer Ausführungsform ist der Sensor innerhalb eines Schrittmacher-Bilumenanschlusses eingebettet und nahe der distalen Elektrode des Anschlusses angeordnet, so dass sich der Sensor innerhalb des Herzens befindet, wenn der Anschluss in einen Patienten implantiert wird, wodurch gestattet wird, dass der abgetastete Sauerstoffgehalt des Bluts innerhalb des Herzens ein physiologischer Parameter wird, welcher verwendet werden kann, um das Schrittmacherstimulationsintervall eines ratenempfindlichen Schrittmachers zu steuern.

US 5,350,375 offenbart Verfahren für eine laserinduzierte Fluoreszenzintensitätsrückmeldung und -Regelung bei der Laserangioplastik. Bei einem ersten Gesichtspunkt wird ein Katheter, welcher ein exzentrisches Führungsdrahtlumen und mindestens eine optische Faser umfasst, durch Drehen des Katheters und Beobachten der Fluoreszenzintensität bezüglich einer Obstruktion in einem Blutgefäß angeordnet. Wenn die Fluoreszenzintensität einen maximalen Wert aufweist, ist die optische Faser auf die Obstruktion hin ausgerichtet. Bei einem anderen Gesichtspunkt wird eine Fluoreszenzintensitätsrückmeldung verwendet, um festzustellen, wann eine Laserablösungsvorrichtung eine Okklusion gekreuzt hat. Ein abrupter Abfall der Fluoreszenzintensität bezeichnet, dass die Ablösungsvorrichtung die Okklusion gekreuzt hat. Bei einem weiteren Gesichtspunkt wird die Fluoreszenzintensitätsrückmeldung verwendet, um die Wirksamkeit einer Flüssigkeitsspülung in einem Blutgefäß zu bestimmen. Bei wieder einem anderen Gesichtspunkt werden eine Fluoreszenzspektroskopie und eine Beobachtung der Fluoreszenzintensität der Reihe nach für verschiedene Untermengen optischer Fasern in einem Laserkatheter durchgeführt, um eine präzise Steuerung der Faseranordnung, Gewebediagnose und Ablösung bereitzustellen. Die Fluoreszenzintensitätsrückmeldung kann in Verbindung mit Fluoreszenzspektroskopie verwendet werden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein effizientes Spektrometersystem bereitzustellen. Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand nach dem unabhängigen Anspruch erzielt.

Bei einem Gesichtspunkt zeichnet sich die Erfindung durch ein Miniaturspektrometer zur Verwendung bei der spektralen Analyse aus. Das Spektrometer weist eine Lichtquelle und mehrere Lichtdetektoren zur Anordnung innerhalb eines Körpers derartig auf, dass optische Leiter nicht nötig sind, um Lichtsignale an das und aus dem Gewebe innerhalb des Körpers zu liefern. Die Lichtquelle beleuchtet einen Gewebebereich und die Lichtdetektoren detektieren optische Eigenschaften des beleuchteten Gewebes durch Messen modifizierter Lichtsignale. Die Lichtdetektoren wandeln optische Signale derartig in elektrische Signale um, dass ein elektrischer Draht oder mehrere elektrische Drähte, welche innerhalb einer Eingriffsvorrichtung angeordnet sind, die elektrischen Signale aus dem Gewebe an eine Signalanzeige oder an einen Mikroprozessor liefern können. Eine optisch durchsichtige Spitze verkapselt ein Spektrometer. Die Spitze, welche das Spektrometer verkapselt, wird an einem distalen Ende einer Eingriffsvorrichtung angeordnet. Die Spitze weist mindestens einen Flüssigkeitskanal auf, welcher mit einem Lumen innerhalb der Eingriffsvorrichtung in Verbindung steht, um eine Flüssigkeit an einen Gewebebereich zu liefern.

Ausführungsformen dieses Gesichtspunkts der Erfindung weisen die folgenden Merkmale auf. Die Lichtquelle und die Lichtdetektoren werden von einer externen Stromversorgung durch elektrische Drähte mit Energie versorgt. Die Spitze ist so geformt, dass sie Gewebekontakt und optische Übertragung optimiert. Die Spitze kann mit einem Material beschichtet werden, um die Lichtübertragung zu verbessern. Bei einer offenbarten Ausführungsform umfasst ein Spektrometer der Erfindung eine Lichtquelle und die Lichtdetektoren, welche auf einem einzelnen Substrat ausgebildet mehrere Kanäle aufweisen, um Lichtemission bei mehreren Wellenlängen zu detektieren.

Als nächstes wird ein Verfahren zum Charakterisieren von Gewebe erklärt, welches zum Verständnis der Erfindung nützlich sein kann. Gemäß dem Verfahren wird ein Spektrometer bereitgestellt, welches eine Lichtquelle und mehrere Lichtdetektoren aufweist. Das Spektrometer wird innerhalb eines Körpers nahe einem Gewebebereich angeordnet, welcher charakterisiert werden soll. Die Lichtquelle und die Detektoren sind durch elektrische Drähte mit einer Stromquelle verbunden. Die mit Energie versorgte Lichtquelle erzeugt Licht und beleuchtet den Gewebebereich. Die Detektoren messen Lichtsignale, welche als ein Ergebnis der Wechselwirkung mit dem Gewebebereich modifiziert wurden. Die Lichtdetektoren wandeln empfangene optische Signale in elektrische Signale um. Eine optisch durchsichtige Spitze verkapselt das Spektrometer und ist nahe einem distalen Ende einer Eingriffssonde lokalisiert. Das Verfahren kann weiterhin den Schritt des Drehens des Spektrometers hinsichtlich der Spitze aufweisen. Die Drehbewegung stellt optische Eigenschaften des Lichts ein, welches übertragen wird, um das Gewebe zu beleuchten.

Die vorangehenden und andere Aufgaben, Gesichtspunkte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und aus den Ansprüchen offenkundiger.

In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen überall in den verschiedenen Ansichten die gleichen Bauteile. Auch sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, stattdessen wird im Allgemeinen Wert auf ein Illustrieren der Prinzipien der Erfindung gelegt.

1A ist ein Blockdiagramm eines Systems zur spektralen Analyse, welches ein Spektrometermodul in Verbindung mit externen Komponenten umfasst.

1B zeigt einen Lichtdetektor des Spektrometermoduls der 1A in Verbindung mit einem alternativen elektronischen System zur Signalanalyse.

2A ist eine Querschnittsansicht eines Spektrometermoduls, welches an einem distalen Ende einer Eingriffsvorrichtung angeordnet ist.

2B ist eine Querschnittsansicht des distalen Endes des Spektrometermoduls von 2A.

3 ist eine schematische Darstellung einer Eingriffsvorrichtung und eines Spektrometermoduls, welches an dem distalen Ende der Eingriffsvorrichtung angeordnet ist.

4 ist eine Querschnittsansicht des Spektrometermoduls der 2A, welches von einer Spitze verkapselt ist und an dem distalen Ende einer Eingriffsvorrichtung angeordnet ist.

5 ist eine Querschnittsansicht eines Spektrometermoduls auf einem einzelnen Substrat, wobei der Querschnitt längs des Moduls verläuft.

Unter Bezugnahme auf 1A umfasst das Spektrometermodul eine Lichtquelle 3 und einen Mehrkanal-Lichtdetektor 5 in enger räumlicher Nähe zueinander und zu einem interessierenden Bereich 6. Der interessierende Bereich 6 kann lebendes Gewebe sein, welches sich innerhalb eines Körpers befindet. Die Lichtquelle 3 und der Lichtdetektor 5 sind in enger räumlicher Nähe zu dem interessierenden Bereich angeordnet, so dass sie die Lichtenergie mit einem Minimum an Zwischenraum oder Material sowohl emittieren können als auch wirksam einkoppeln können. Die Lichtquelle 3 steht mit einer Stromversorgung oder -quelle 7 durch eine Gleichstromleitung 9 in Verbindung, und der Lichtdetektor 5 steht mit der Stromquelle 7 durch eine Vorspannungsversorgungsleitung 10 in Verbindung. Die Stromquelle 7 kann Gleichstrom (DC) entweder von hoher oder von niedriger Spannung, Wechselstrom (AC) einer geeigneten Frequenz oder einen Impuls bereitstellen. Wechselstrom kann zu dem Zweck des Modulierens der Lichtquelle mit einem Modulator 17 an die Lichtquelle 3 geliefert werden. Alternativ kann Strom mit komplexen Wellenformen an die Lichtquelle 3 geliefert werden. Eine Diode kann in der Schaltung an der Lichtquelle 3 angeordnet werden, um einen Teil des Wechselstroms gleichzurichten, so dass er zum Vorspannen des Detektors 5 verwendet werden kann. In der offenbarten Ausführungsform wird eine Dosiereinrichtung 19 an der Stromquelle angeordnet und setzt einen Stromabtaster 20 in Reihe ein, um den Strom zu beobachten und anzuzeigen, welcher an die Lichtquelle 3 angelegt wird. Diese Konfiguration kann verwendet werden, um beim Kalibrieren des Instruments während des Gebrauchs zu helfen.

Eine Ausgangsleitung 13 oder mehrere Ausgangsleitungen 13 erstrecken sich von dem Detektor 5 durch einen Verstärker 21 und einen A/D-Wandler 23 zu einem Mikroprozessor 25 und zu einer Anzeige 11. Die Ausgangsleitungen 13 können abgeschirmt werden, um eine Störgeräuschaufnahme zu reduzieren. Der Ausgang des Detektors 5 wird durch einen Verstärker 21 verstärkt und an einen Analog/Digital-(A-D-, A/D- oder A-nach-D-)-Wandler 23 gesendet. Das digitalisierte Signal kann dann an einen Mikroprozessor 25 oder an eine andere Logikvorrichtung zur nachfolgenden spektralen Analyse gesendet werden. Ein alternatives Signalverarbeitungssystem wird in 1B gezeigt.

Wie aus 1B ersichtlich, umfasst das alternative Signalverarbeitungssystem ein Mittelskaleninstrument 33, welches von einer Gleichstromquelle 34 betrieben wird und welches in der gemeinsamen Rückleitung 38 angeordnet ist, welche sich von dem Lichtdetektor 38 erstreckt. Dieses alternative Signalverarbeitungssystem kann verwendet werden, um die verschiedenen Signalamplituden der optischen Signale, welche von zwei oder mehr gleichzeitig betriebenen Kanälen des Lichtdetektors 5 empfangen werden oder um die normalisierte Ausgabe der Lichtquelle als Funktion der Lichtenergie, welche von dem Lichtdetektor 5 empfangen wird, zu beobachten. Die Amplitude des Messwerts kann verwendet werden, um die Steigung des Antwortsignals relativ zum Eingangssignal zu bestimmen oder um andere, komplexere Funktionen durchzuführen. Es versteht sich hierbei, dass ein äquivalenter Betrieb unter Verwendung eines Einkanal-Lichtdetektors erhalten werden kann, solange eine Antworteigenschaft des Kanals mit der Zeit variiert wird. Es kann möglich sein, die Antworteigenschaft unter Verwendung beispielsweise eines Filters oder mehrerer Filter zu variieren. Im Fall eines Einkanal-Lichtdetektors können die beiden Signale, falls erwünscht, der Reihe nach erhalten werden. Die Funktionen, welche von dem oben stehend beschriebenen Schaltkomplex bereitgestellt werden, können mit einer anderen oder zusätzlichen elektrischen, mechanischen, und/oder optischen Vorrichtung erzielt werden.

Unter Bezugnahme auf 2A und 2B wird ein Spektrometermodul 41 an einer distalen Spitze einer Eingriffsvorrichtung 4 angeordnet. Das Spektrometermodul 41 wird innerhalb eines Gehäuses 43 angeordnet. Das Gehäuse 43 umfasst ein optisch durchsichtiges Material. Der Durchmesser des Gehäuses 41 ist klein genug, um zu gestatten, dass das Spektrometermodul 41 und das Gehäuse 43 verschiedene Lumen von Kathetern und Körperlumen, wie beispielsweise vaskuläre und nichtvaskuläre Gefäße, passieren. Beispielsweise weist das Gehäuse 43 für ein Spektrometermodul 41, welches mit einem Katheter 4 verwendet wird, einen maximalen Durchmesser von ungefähr 0,64 cm (0,25 Inch) auf. Das Gehäuse 43 für ein Spektrometermodul 41, welches mit einer Führungsdraht-großen Vorrichtung verwendet wird, kann einen maximalen Durchmesser von ungefähr 0,21 cm (0,081 Inch) aufweisen.

Das Spektrometermodul 41 umfasst eine Lichtquelle 3, zwei Lichtdetektoren 61, eine Linse 47, einen Lichtverstärker 49 und ein Fenster 55. Die Lichtquelle 3 ist eine Halbleiterdiodenquelle, welche derartig befestigt ist, dass das Ausgabeende 45 zum distalen Ende des Moduls 41 zeigt, welches sich im Allgemeinen mit der zentralen Achse der Eingriffsvorrichtung 4 in einer Reihe befindet. Alternativ kann die Lichtquelle 3 derartig angeordnet werden, dass das Ausgabeende in eine Richtung transversal zu der Mittenachse der Eingriffsvorrichtung 4 zeigt. Licht, welches von der Lichtquelle 3 erzeugt wird, kann einen Gewebebereich unmittelbar beleuchten oder von einer Linse 47 fokussiert werden, bevor es den Gewebebereich beleuchtet. Die Linse 47 kann so geformt sein, dass sie das Licht zu einem erwünschten Muster fokussiert, oder sie kann verwendet werden, um das Licht, falls nötig, zu streuen. Ein Frequenzvervielfacher 49 wird in dem Weg des Lichts angeordnet, welches von der Lichtquelle 3 erzeugt wird, um die Frequenz der Lichtausgabe zu vergrößern. Der Frequenzvervielfacher 49 umfasst eine optisch nichtlineare Substanz. Die optisch nichtlineare Substanz 49 wird mit einer Ringhalterung 51 in Position gehalten, um ihre Position hinsichtlich der Position der Lichtquelle 3 zu erhalten. Ersatzweise kann die nichtlineare Substanz 49 unmittelbar mit dem Ausgabeende 45 der Lichtquelle 3 unter Verwendung eines optisch klaren Bindemittels verbunden werden. Das optisch klare Bindemittel kann Epoxid, Cyanoacrylat oder Natriumsilikat sein. Das Bindemittel kann unmittelbar auf dem Ausgabeende 45 der Lichtquelle 5 und ihrer Umgebung angeordnet werden, und die nichtlineare Substanz 49 kann auf dem Bindemittel angeordnet werden. Ein Beispiel einer optisch nichtlinearen Substanz, welche zur Verwendung mit einem Spektrometermodul der Erfindung geeignet ist, ist ein Kaliumdihydrogenphosphat-(KH₂PO₄)- oder KDP-Kristall. Um die Lichtübertragung zu verbessern, kann mindestens eine Oberfläche des KDP-Kristalls mit einer Fluoridschicht beschichtet werden, welche als eine Viertelwellen-Anpassungsschicht 53 fungiert. Ein Fenster 55 wird an dem distalen Ende des Spektrometermoduls 41 angeordnet, um das Modul zu schützen. Das Fenster 55 kann durch Verbinden des Fensters 55 mit der distalen Spitze der Eingriffsvorrichtung mit einem Klebstoff 57 am Ort gehalten werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das Fenster 55 eine Bandsperreneigenschaft auf, welche Ausgangsfrequenzen des Lichts dampft, welches von der Lichtquelle 3 erzeugt wird, während es einen Durchgang der Lichtausgabe mit einer vorbestimmten Frequenz erlaubt. Eine Lichtausgabe, welcher den Filter passieren kann, liegt oft im ultravioletten Bereich und weist insbesondere Wellenlängen von ungefähr 300 nm bis ungefähr 400 nm auf. Derartige Filter sind allgemein verfügbar und bekannt. Beispiele dieser Filtertypen umfassen abgetöntes Glas, eingelegte Farbstoffe und Interferenzfasern, welche auch als dichroitische Filter bekannt sind. Alternativ kann eine variable Filterung durch Drehen des Innenabschnitts des Moduls 41 hinsichtlich Abschnitten eines anderen gefärbten Materials, wie beispielsweise einer abgetönten Kunststoffummantelung des Katheters oder einer in 4 gezeigten Spitze 81, eingesetzt werden. Die Katheterummantelung oder die Spitze 81 können unterschiedliche Filtereigenschaften aufgrund von Dickenänderungen oder aufgrund von lokalisierten Farbstoffen aufweisen.

Lichtdetektoren 61 und Filter 63 können um die nichtlineare Substanz 49 (2B) herum angeordnet werden. Die Lichtdetektoren 61 können beispielsweise Silizium-Fotodioden, Cadmiumsulfid-Kristallkörper mit Elektroden, ladungsgekoppelte Schaltungen oder allgemein alle Lichtsensoren sein, welche miniaturisiert und innerhalb der Begrenzungen einer Vorrichtung kleiner als ungefähr 0,64 cm (0,25 Inch) oder weniger im Durchmesser angeordnet werden können. Die Lichtdetektoren 61 können in einem Winkel (2A) angeordnet werden, um die Sammlung von Licht zu unterstützen, welches von dem interessierenden Bereich 6 emittiert wird. Ersatzweise können die Lichtdetektoren 61 auf einem ebenen Substrat benachbart zu der Lichtquelle 3 angeordnet werden. Die Lichtsignale, welche den interessierenden Bereich beleuchten, werden als ein Ergebnis der Wechselwirkung mit dem interessierenden Bereich 6 modifiziert. Die Lichtdetektoren 61 detektieren die modifizierten Lichtsignale. Die Lichtdetektoren 61 können auch die Lichtemission aus der Lichtquelle beobachten. Die Lichtdetektoren 61 werden mit der Energie aus der Stromversorgung 7 durch eine Stromleitung 10 versorgt (1A). Frequenzselektive Detektoren 61 werden durch Anordnen von Filtern 63 auf den Lichtdetektoren 61 hergestellt. Die Filter 63 dämpfen ein Frequenzband oder mehrere Frequenzbänder der Energie, welche von den Lichtdetektoren 61 empfangen wird. Die Filter 63 können beispielsweise vom Bandpasstyp sein, welcher Wellenlängen selektiv zulässt. Ein spezifischer Bandpass eines Filters kann um 380 nm zentriert werden, während ein anderer Filter um 440 nm zentriert werden kann. Signaldrähte 13, welche einen Signalausgang liefern, können von der Form verdrillter Drahtpaare sein, oder sie können sich einen gemeinsamen Masseweg teilen. Die Signaldrähte 13 werden durch einen oder mehrere Lumen 65 der Eingriffsvorrichtung 4 gefädelt und erstrecken sich zurück zu einem geeigneten Steckverbinder, welcher auf oder nahe dem proximalen Ende der Eingriffsvorrichtung 4 angeordnet ist.

Unter Bezugnahme auf 3 wird das Spektrometermodul 41 der 2 an dem distalen Ende einer Eingriffsvorrichtung 70 angeordnet. Bei der offenbarten Ausführungsform wird das Modul 41 an dem distalen Ende eines Schafts 71 befestigt, und der Schaft 71 enthält Signaldrähte 9 und 13. Der Schaft 71 endet mit einem kleinen Steckverbinder 73 an dem proximalen Ende. Der Steckverbinder 73 kann einen oder mehrere Kontakte aufweisen, welche angeordnet sind, um eine elektrische, optische und mechanische Verbindung mit einem passenden Steckverbinder zu gestatten. Der Schaft 71 weist auch einen gleitfähigen Stopper 75 auf, welcher voreingestellt werden kann, um eine Kontrolle über die Platzierungstiefe innerhalb des Körpers zu gestatten. Der Stopper kann ein Kragen mit einem Spannhülsenring 77 sein, welcher sich beim Verdrehen festzieht, um einen festen Anschlag bereitzustellen. Der Schaft 71 kann eine Röhre umfassen, wie beispielsweise eine Injektionskanüle aus Edelstahl, ein überelastisches (Nitinol-) Röhrchen oder dergleichen. Der Vorteil derartiger Schäfte ist, dass sie relativ starr sind und eine Einführung in teilweise versperrte Passagen gestatten. Sehr kleine Schäfte können aus Metallröhrchen angefertigt werden. Es können Schäfte mit Außendurchmessern von ungefähr 0,013 cm (0,005 Inch) bereitgestellt werden, obwohl in den meisten Fällen größere Schäfte mit Durchmessern von ungefähr 0,20 cm (0,08 Inch) oder größer geeignet sind. Die Längen der Schäfte können auch zwischen ein paar Millimetern und über 200 Zentimetern variieren. Der Schaft 71 kann aus einem flexibleren Material angefertigt werden, falls gewünscht. Als Schaftmaterial können mehrschichtige, gegeneinander gewickelte Drähte mit kleinem Durchmesser verwendet werden. Diese Schäfte weisen eine relativ hohe laterale Flexibilität und eine gute Drehsteifigkeit auf und können durch manuelles Verdrehen oder durch einen Motor in spezifischen Winkeln angeordnet werden. Andere Schäfte können Kunststoffe, wie beispielsweise Polyethylen, Polyimid oder Nylon umfassen, und können einen oder mehrere Lumen aufweisen. Die Lumen führen elektrische, optische oder mechanische Übertragungsleitungen oder Kühlflüssigkeiten. In der offenbarten Ausführungsform weist der Schaft 71 ein Schraubgewinde 79 an dem distalen Ende auf, um Befestigung und Abtrennung des Moduls 41 an und von dem Schaft 71 zu erleichtern. Eine mögliche Verwendung des Befestigungsgewindes kann ein Lösen des Moduls 41 durch Abschrauben und Lösen des Moduls 41 von dem Ende des Schafts 71 sein, wenn das Modul 41 einmal innerhalb eines Körpers angeordnet ist. Der röhrenförmige Schaft 71 kann dann über den kleinen Steckverbinder 73 gleiten, welcher außerhalb des Körpers gelassen werden kann. Das Modul 41 kann erneut mit dem Schaft 71 verbunden werden, bevor das Modul 41 aus dem Körper herausgezogen wird.

Unter Bezugnahme auf 4 ist das Spektrometermodul 41 der 2A innerhalb einer optisch durchsichtigen Spitze 81 lokalisiert, und die Spitze 81 und das Modul 41 sind an dem distalen Ende einer Eingriffsvorrichtung angeordnet. Die Spitze 81 kann einen Kunststoff, wie beispielsweise Polystyrol, ein Glas, wie beispielsweise Quarz, umfassen oder kann ersatzweise aus einem löslichen Material ausgebildet sein, wie beispielsweise Sukrose. Die Spitze 81 weist einen Flüssigkeitskanal 82 auf, welcher mit dem zentralen Lumen 84 des Katheterkörpers 83 in Verbindung steht. Der Flüssigkeitskanal 82 kann verwendet werden, um eine Vermittlungsflüssigkeit, wie beispielsweise Wasser, an oder nahe der Spitze der Vorrichtung bereitzustellen oder um einen Farbstoff (wie beispielsweise Tusche) oder ein Arzneimittel (wie beispielsweise Photofrin) zu injizieren oder um eine Flüssigkeits- oder Gewebeprobe zu entnehmen. Die Spitze 81 kann Sekundärfilter aufweisen. Ein Anordnen des Moduls 41 in Bezug auf die Spitze 81 gestattet Variationen in dem optischen Weg, welcher erhalten werden soll. Beispielsweise kann das Modul 41 innerhalb der Spitze 81 derartig gedreht werden, dass Sekundärfilter mit einem oder mehreren Detektoren 61 oder mit Licht, welches von der Lichtquelle 3 emittiert wird, abgefluchtet werden.

Ein Katheterkörper 83 kann das Modul 41 durch Durchleiten des Moduls durch das zentrale Lumen 84 des Katheters 83 beherbergen, um das Modul 41 an den interessierenden Bereich in Schleimhautgewebe 85 zu führen. Die in 4 gezeigte Ausführungsform gestattet dem Anwender eine Veränderung des Gewebes als ein Ergebnis von Arzneimittelinjektionen oder der selektiven Aufnahme eines Fluoreszenzfarbstoffs zu beobachten. Die Form der Spitze 81 hilft bei der Vermeidung von Spiegelreflexionen von Licht auf der Oberfläche der Schleimhautauskleidung 85 und von Verlagerung von dazwischen liegenden Stoffen, wie beispielsweise von Bakterien, welche oft stark fluoreszieren. Die Spitze 81 kann im wesentlichen eine Winkelunabhängigkeit bereitstellen, wobei die Notwendigkeit einer tatsächlichen Entfernung von Gewebematerial vermieden wird. Falls die Spitze 81 leicht gerundet ist, wird eine Verlagerung von Gewebe erzielt, ohne das Gewebe tatsächlich deutlichen Scherkräften auszusetzen. Die Eindringtiefe kann durch Anordnen der Schulter des Katheters 83 gegen das Gewebe und durch Gleiten der Spitze 81 hinsichtlich des Katheters 83 gesteuert werden. Ausdehnungsbereiche von bündig oder versenkt bis ungefähr 1,0 mm oder ein weiteres Vorstehen der Spitze 81 über die Schulter hinaus sind unter Verwendung einer reibschlüssigen Passung zwischen den zwei Komponenten praktisch. Der Schaft 71 (3) und das Modul 41 können, falls gewünscht, mit klarem Epoxid mit der Spitze 81 verbunden werden. Der Vorteil einer derartigen Konfiguration ist, dass die gesamte Anordnung gleitend und drehbar innerhalb des Katheters 83 angeordnet werden kann. Die Röhrenform des Katheters 83 ist bloß beispielhaft. Es können zahlreiche Katheterumhüllungen und andere Eingriffsvorrichtungen, welche zum Durchleiten von Flüssigkeiten verwendet werden, einschließlich Nadeln, Führungsdrähte, Führungskatheter, Trokare, Einführer, Endoskope und Stents verwendet werden.

Die Röhre oder das Gehäuse können mit einem optisch durchsichtigen Material oder mit einem streuenden Material gefüllt werden. Beispiele eines optisch durchsichtigen Materials umfassen Epoxid, Wasser und Öl. Beispiele eines streuenden Materials umfassen teilchenförmige Stoffe, welche in einer viskosen Flüssigkeit suspendiert sind, wie einem Epoxid, welches härten kann, oder in einem Elastomermaterial, welches flexibel bleiben kann, um verschiedenen anatomischen Bedingungen zu entsprechen oder zu verschiedenen Katheterspitzen geformt werden kann.

Die Eingriffsvorrichtung gemäß 4 kann nützlicher, weniger teuer und kleiner angefertigt werden, indem alle funktionalen Elemente von einem einzelnen Substrat aufgenommen werden, welches in Eingriffsvorrichtungen und lebendem Gewebe willkürlich eingebettet, befestigt, angeordnet oder implantiert werden kann. In 5 setzt ein Spektralanalysepaket 90 auf einem Einzelsubstrat diese Merkmale in einer derartig kompakten Anordnung ein. Bei der offenbarten Ausführungsform werden die Elemente auf einem dotierten, geschichteten Siliziumträger ausgebildet. Ersatzweise kann das Substrat 91 eine geätzte gedruckte Schaltung auf einem Fiberglas/Epoxidharz-Substrat sein. Der lichtemittierende Abschnitt ist eine integrierte lichtemittierende Diodenanordnung 93, welche geätztes N-Halbleitermaterial 95 und einen Diamant-Kühlkörper 97 umfasst, welcher mit einer Seite des Substrats 91 verbunden ist. Der Spalt 99, welcher unter die Referenzoberfläche des Substrats 91 geätzt ist, gestattet, dass Lichtenergie auf den Spiegel 101 gerichtet wird, welcher mit dem piezoelektrischen Lichtmodulator 103 verbunden ist. Der Spiegel 101 kann nach Abschrägen und Polieren des Modulators 103 durch Beaufschlagen mit Aluminium eines Abschnitts des piezoelektrischen Lichtmodulators 103 aufgebaut werden. Alternativ kann der Spiegel einen kleinen Körper aus Glasmaterial, ungefähr 0,150 mm im Quadrat und 0,010 mm dick, aufweisen, welcher mit einer dünnen Schicht Epoxidharz verbunden ist, um das Steuerelement in einer Position zu stapeln, welche einen Zwischenraum innerhalb der Lücke 99 gestattet. Die Konstruktion des piezoelektrischen Lichtmodulators 103 kann durch Verbinden einer einzelnen Blei-Zirkonat-Titanat-(PZT)-Schicht unmittelbar mit dem Substrat 91 unter Verwendung eines leitfähigen Epoxids und durch Ultraschallschweißen oder Epoxid-Verbinden einer Elektrode 105 mit einem feinen Kupferdraht 107 erzielt werden, welcher wiederum mit einem elektrischen Anschlussstift 109 verbunden wird. Die Anschlussstifte 109 können ungefähr 0,030 mm im Durchmesser und ungefähr 0,328 mm in der Länge betragen, und sie können mit Gold beschichtete Messingdrähte umfassen. Ein großer Stift 110 wird mit Ultraschall an die Basis des Substrats 91 geschweißt und dient als ein Orientierungspunkt, als ein mechanisches Stabilisierungsmittel und ist auch in der Lage, einen etwas höheren Strom zu führen.

Aus dem Substrat 91 wird auch eine Avalanche-Fotodioden-(APD)-Matrix 121 geätzt, welche als ein sehr empfindlicher Lichtdetektor dient. Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform weist die Version des Lichtdetektors 121 zwei Kanäle auf. Es können jedoch mehr Kanäle durch einfaches Wiederholen der Struktur wie folgt hinzugefügt werden: Ablagern von Siliziumoxid-(SiO₂)-Schichten 123 auf N-Materialschichten 125, welche individuell über feine Drähte 107 mit Stiften 109 verbunden werden. Die Sperrschicht 127 ist zwischen den N-Materialschichten 125 und dem Substrat 91 eingelegt, und kann auch als Teil der gemeinsamen Rückleitung an den Stift 110 dienen. Ein gefärbter Lichtfilter 131 kann über einem oder mehrere lichtempfindliche Abschnitte der APD derart angeordnet werden, dass sich die spektrale Resonanz eines Kanals von der des anderen unterscheidet. Bei der offenbarten Ausführungsform wird ein gefärbter Lichtfilter 131 über einem Kanal angeordnet. Der Filter kann beispielsweise einen Wellenfilter, wie beispielsweise einen dichroitischen Filter, umfassen, welcher aus einem Glas, einem Gitter oder einem Farbstoff angefertigt ist.

Der Filter 131 kann vorübergehend über einer Siliziumoxid-Schicht 123 angeordnet und am Ort gehalten werden, während optischer Einbettungskunststoff 133 über der Anordnung ausgebildet wird. Es können Stoffe, wie beispielsweise Polystyrol, Polycarbonat und Methylmethacrylat, als der optische Einbettungskunststoff verwendet werden, um eine erwünschte Form des Pakets 90 zu gießen oder mit Spritzguss herzustellen. Es können andere Stoffe, wie beispielsweise Urethane, verwendet werden, um den Guss zu bilden, solange sie ausreichend durchlässig für Lichtenergie sind und elastisch genug sind, um einen kleinen Überstand, wie beispielsweise den Spiegel 101, zu gestatten. Ein Luftspalt um die Lücke 99 kann in Abhängigkeit von dem Brechungsindex wünschenswert sein, welcher in der Umgebung des Spiegels 101 und des Ausgabeendes der lichtemittierenden Diode 93 benötigt wird. Ein Weg, dies zu erzielen, ist, einen vorgeformten Rahmen über dem Spalt 99 anzuordnen, welche den Fluss von Einbettungsmaterial in diesen Bereich verhindert. Der Rahmen kann durch Spritzguss aus dem Material, welches auch für das Paket 40 verwendet wird, oder aus einem Material geformt werden, welches eine höhere Schmelztemperatur aufweist. Der Rahmen kann mit einer dünnen Schicht eines klaren Epoxid-Films am Ort verbunden werden. Das Paket 90 kann so geformt werden, dass es eine Modifizierung der optischen Signale gestattet, welche in das Paket eintreten oder es verlassen. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die gezahnte Linse 135 in die Oberfläche des Pakets 90 geformt oder geprägt. Der Vorteil dieser Konfiguration ist, dass eine polierte Form verwendet werden kann, um eine gewünschte optische Präzisionsoberfläche auszubilden. Spritzgussverfahren nach dem Stand der Technik und Thermoplaste mit relativ geringer Viskosität, wie beispielsweise Polystyrol, gestatten eine Erzeugung der sehr feinen Merkmale mit steuerbaren Abmessungen und Schritthöhen auf der Oberfläche. Eine Abmessung des Oberflächenmerkmals kann im Bereich von ungefähr 0,005 mm liegen. Unter Verwendung von Druck und einer fotogeätzten Urform können sogar feinere Merkmale von weniger als 0,005 mm geprägt werden, so dass binäre optische Schritte, Hologramme oder Gitter, welche in der Lage sind, IR-, sichtbares und UV-Licht zu brechen, unmittelbar auf der Oberfläche des Pakets 90 ausgebildet werden können. Eine Erzeugung derartiger Merkmale auf der Oberfläche oder innerhalb der Anordnung vermeidet die Notwendigkeit für zusätzliche, teure optische Komponenten und ihre Halterungen. Eine herkömmlich gekrümmte Linse 137 wird auf der Oberfläche des Pakets 90 erzeugt um die Lichtenergie wie erwünscht zu fokussieren. Die herkömmlich gekrümmte Linse 137 kann auch während des Formungsvorgangs an die Oberfläche geformt werden. Ein Gitter kann Licht über die Detektoren streuen, wobei eine Fähigkeit zur Frequenzauswahl bereitgestellt wird.

Spektrometermodule gemäß der Erfindung werden entworfen, um die Lichtquelle und den Lichtdetektor in räumlicher Nähe zu einem Gewebebereich unter spektraler Analyse anzuordnen. Eine Gewebecharakterisierung unter Verwendung einer spektralen Analyse basiert auf dem Verständnis, dass Licht, welches von einer Lichtquelle emittiert wird, mit dem Gewebe wechselwirkt und das Licht modifiziert wird. Absorption, Streuung und anderer Energieverlust tritt auf, wenn Licht mit dem Gewebe wechselwirkt. Verschiedene Gewebetypen weisen jedoch unterschiedliche Absorptions- und Reflexionseigenschaften auf. Deshalb kann Gewebe unter Verwendung einer spektralen Analyse charakterisiert werden. Diese Wechselwirkungsphänomene begrenzen jedoch auch die Tiefe der Lichteindringung, welche erzielt werden kann. Deshalb kann ein Energieverlust aufgrund äußerer Faktoren stark sein, wenn die Lichtquelle nicht nahe dem interessierenden Gewebe angeordnet wird. Die Erfindung stellt Mittel zum Anordnen der Lichtquelle und des Lichtdetektors nahe dem interessierenden Gewebe bereit, so dass ein effizienter Betrieb erzielt werden kann. Deshalb eliminiert das Spektrometermodul der Erfindung unnötigen Lichtverlust und gestattet dem Lichtdetektor, eine Lichtmodifizierung zu detektieren, welche von der Wechselwirkung mit dem Gewebe bewirkt wird.

Im Allgemeinen kann jeder Typ eines Lichtdetektors, welcher in der Lage ist, aufgrund ihrer Wechselwirkung mit dem Subjekt der Analyse modifizierte Lichtsignale zu erkennen, und welcher in der Lage ist, ausreichend klein gefertigt zu werden, dass er in eine Eingriffsvorrichtung passt, gemäß der Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann ein Sensor mit einer ladungsgekoppelten Schaltung (CCD) rings um die Energieerzeugungsquelle angeordnet und über Signaldrähte verbunden werden. Ersatzweise können Silizium-Fotodioden, Cadmiumsulfid-Zellen oder Szintillationsdetektoren derartig angeordnet werden, dass ein zurückfallender Abschnitt der Lichtwellenenergie eingefangen und gemessen wird. Im Fall von Sensoren des CCD-Typs kann eine große Anzahl derartiger Vorrichtungen in einen sehr kleinen Bereich einbezogen werden. Ersatzweise können gemäß der Erfindung zwei oder mehr Sensoren verwendet werden. Der Vorteil einer Verwendung mehrerer Sensoren ist, dass es die Notwendigkeit zum Wechseln von Filtern eliminiert. Filter x, beispielsweise, kann angeordnet werden, um blaue Lichtwellen durchzulassen, während Filter y angeordnet werden kann, um rote Lichtwellen durchzulassen, so dass die relative Intensität von zwei Wellenlängen eine Steigung erzeugen kann, welche einen bestimmten Gewebetyp oder –zustand angeben kann.

Gemäß der Erfindung kann jede Lichtquelle verwendet werden, welche in einer Eingriffsvorrichtung angeordnet werden kann. Es können eine gewöhnliche Glühfadenlichtquelle, wie beispielsweise eine Lichtquelle mit Wolframfaden, mit geeigneten Filtern, welche darauf angeordnet sind, eine Bogenlampe, eine Quecksilberdampflampe, eine Xenon-Blitzlampe, Gasentladungsröhren, welche mit verschiedenen Gasen oder metallischen Dämpfen gefüllt sind, eine akustisch angetriebene Sonolumineszenzquelle, welche in der Lage ist sichtbares und UV-Licht sowie Röntgenstrahlen zu erzeugen, eine Gum-Diodenquelle mit super hoher Frequenzenergie(SHF), lichtemittierende Dioden und andere Lichtquellen mit einer Ausgabe sowohl von langer als auch von kurzer Dauer, mit langen oder mit kurzen Wellenlängen für die Erfindung verwendet werden.

Mögliche Lichtquellensysteme und Lichtdetektionsanordnungen werden in zwei gemeinsam-besessenen US Provisional Patentanmeldungen beschrieben, nämlich in der US Provisional Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 60/033,333 und in der US Provisional Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 60/033,335. Im Allgemeinen werden ein Lichtquellensystem und ein Lichtdetektionssystem für eine Verwendung gemäß der Erfindung auf der Grundlage verschiedener Faktoren ausgewählt, welche beispielsweise Kosten, Komplexität, Miniaturisierung und therapeutische Eigenschaften umfassen.

Die Form des Spektrometermoduls der Erfindung kann jede geeignete Form zum Optimieren des Kontakts zwischen dem Modul und dem interessierenden Bereich oder der optischen Übertragung des erzeugten Lichts an den interessierenden Bereich sein. Mögliche Formen umfassen beispielsweise konkave gestufte, zylindrische, meißelförmige, konische, konvexe und halbkugelige Formen. Zusätzlich können die äußeren oder inneren Oberflächen des Moduls mit einem speziellen Material beschichtet werden, um die Lichtübertragungseigenschaften zu verbessern, oder mit einer Mikrolinse, einer binären optischen Stufe oder einem Wellenlängenfilter bereitgestellt werden.

Durchschnittsfachleuten werden Variationen, Modifikationen und andere Implementierungen des hier Beschriebenen einfallen, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, welcher wie folgt beansprucht ist.