DE102015202772A120160818

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*DE102015202772A120160818*
(10)
DE 10 2015 202 772 A1 2016.08.18
Offenlegungsschrift
(12)
G01N 21/53 (2006.01)
(21) Aktenzeichen: 10 2015 202 772.4
(22) Anmeldetag: 16.02.2015
(43) Offenlegungstag: 18.08.2016
(51) Int Cl.:
(71) Anmelder:
Universität Rostock, 18055 Rostock, DE
(72) Erfinder:
Stolz, Heinrich, Prof. Dr., 18059 Rostock, DE;
Reiß, Stephan, Dr., 13125 Berlin, DE; Sperlich,
Karsten, 18059 Rostock, DE; Stachs, Oliver, Prof.
Dr., 18059 Papendorf, DE; Guthoff, Rudolf, Prof.
Dr, 18119 Rostock, DE
(74) Vertreter:
Patentanwälte Bressel und Partner mbB, 10785
Berlin, DE
A61B 3/10 (2006.01)
A61B 3/117 (2006.01)
G01J 3/44 (2006.01)
G01N 21/31 (2006.01)
(56) Ermittelter Stand der Technik:
DE 10 2008 049 692
WO
2014/ 004 835
A1
A1
Prüfungsantrag gemäß § 44 PatG ist gestellt.
Die folgenden Angaben sind den vom Anmelder eingereichten Unterlagen entnommen
(54) Bezeichnung: Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung mindestens einer mechanischen Eigenschaft eines
Untersuchungsobjekts
(57) Zusammenfassung: Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung mindestens
einer mechanischen Eigenschaft eines Untersuchungsobjekts, wobei die Vorrichtung aufweist:
– eine erste Signalquelle zum Erzeugen eines ersten Signals
mit einer ersten Frequenz, wobei das erste Signal in das Untersuchungsobjekt einkoppelbar ist,
– eine weitere Signalquelle zum Erzeugen eines weiteren
Signals mit einer weiteren Frequenz, wobei die weitere Frequenz von der ersten Frequenz verschieden ist, wobei die
weitere Frequenz veränderbar ist, wobei das weitere Signal
derart in das Untersuchungsobjekt einkoppelbar ist, dass
sich das erste und weitere Signal in zumindest einem Teilbereich des Untersuchungsobjekts überlagern,
– eine Einrichtung zur Erfassung einer Intensität eines gestreuten Anteils (6) des ersten Signals, wobei der gestreute
Anteil (6) ein durch das weitere Signal gestreuter Anteil des
ersten Signals ist.
DE 10 2015 202 772 A1 2016.08.18
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Bestimmung mindestens einer mechanischen Eigenschaft eines Untersuchungsobjekts.
[0002] Eine nicht-invasive Bestimmung von mechanischen Eigenschaften von Materialien, z. B. Gewebe in der Medizintechnik, insbesondere in der Augenheilkunde, ist wünschenswert. Insbesondere bei
der Diagnose von Hornhauterkrankungen, z. B. dem
Keratokonus, anderen Hornhautdystrophien oder der
Bestimmung des intraokularen Druckes, kann die
nicht invasive Bestimmung von biomechanischen Eigenschaften des Auges hilfreich sein.
[0003] Es ist bekannt, rheologische Eigenschaften
von Gewebe im Allgemeinen und insbesondere von
Kompartimenten des Auges, z. B. der Hornhaut, in
Abhängigkeit des physikalischen Effekts der Brillouin-Streuung zu bestimmen. Dies ist beispielsweise
in den Druckschriften von Scarcelli et al. „Brillouin
Optical Microscopy for Corneal Biomechanics”, Invest Ophthalmol Vis Sci., vol. 53(1): 185–90, 2012
sowie Berovic et al. ”Observation of Brillouin Scattering from single muscle fibres”, European Biophysical Journal, vol. 17, 69–74, 1989 und Vaughan et
al. ”Brillouin scattering, density and elastic properties of the lens and cornea of the eye”. Nature vol.
284, 489–491, 1980 beschrieben. Die rheologischen
Eigenschaften werden hierbei in Abhängigkeit einer
Frequenzverschiebung zwischen dem einfallenden
Licht und zumindest einem Teil des gestreuten Lichts
bestimmt. Als technologische Herausforderung ergibt
sich jedoch, dass parasitäre Streueffekte das eigentliche Streusignal stark überlagern und unbrauchbar
machen können. Sehr aufwändige spektroskopische
Methoden ermöglichen zwar die Unterdrückung dieser parasitären Signale und die Durchführung von
Messungen. Dennoch ist die Messgeschwindigkeit
gering und der Aufwand für eine Anwendung in der
klinischen Praxis hoch.
[0004] Aus der Veröffentlichung von Reiß et al. „Ex
Vivo Measurement of Postmortem Tissue Changes
in the Crystalline Lens by Brillouin Spectroscopy and
Confocal Reflectance Microscopy”, IEEE translations on bio-medical engineering. Vol. 59, 2348–2354,
2012 ist bekannt, dass ein hochdispersives Vielstrahlinterferometer die Messung und Bestimmung
von biomechanischen Eigenschaften unter Verringerung der Messzeiten ermöglicht, jedoch der experimentelle Aufwand sehr hoch ist. Als problematisch
bei der Messung von biologischem Gewebe im Allgemeinen und insbesondere an der Hornhaut des Auges erwies sich, dass zusätzlich zum Brillouin-Signal
ein weiteres Streusignal entsteht, das um Größenordnungen die Intensität des Brillouin-Signals übersteigt. Nur mittels einer aufwändigen spektroskopischen Methode war es möglich Brillouin-Spektrosko-
pie an Augenkompartimenten durchzuführen. Dies ist
in den Veröffentlichungen von Reiß et al. „Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the
rheological properties of the eye lens”, Biomedical
Optics Express. Vol. 2, 2144–2159, 2011 und Scarcelli et al. „In vivo Brillouin optical microscopy of the
human eye”, Optics Express, Vol. 20, 9197–9202,
2012 beschrieben.
[0005] Die DE 10 2013 211 854.6 (noch nicht veröffentlicht) beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung einer spektralen Änderung von gestreutem
Licht relativ zum einfallenden Licht, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelle, ein Filterelement und eine Einrichtung zur Erfassung eines Spektrums umfasst. Mittels der Lichtquelle ist monochromatisches Licht mit
einer vorbestimmten Frequenz erzeugbar und auf eine Probe strahlbar, wobei mittels des Filterelements
von der Probe gestreutes Licht filterbar ist. Mittels der
Einrichtung zur Erfassung eines Spektrums ist gefiltertes Licht erfassbar und das Spektrum des gefilterten Lichts bestimmbar, wobei die spektrale Änderung
in Abhängigkeit des Spektrums bestimmbar ist. Das
Filterelement ist als Bandsperrfilter ausgebildet, wobei eine Halbwertbreite des Bandsperrfilters kleiner
als eine vorbestimmte maximale Breite gewählt wird,
wobei die maximale Breite zumindest in Abhängigkeit
der vorbestimmten Frequenz gewählt wird.
[0006] Es stellt sich das technische Problem, eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung mindestens einer mechanischen Eigenschaft eines Untersuchungsobjekts zu schaffen, die eine zuverlässige und genaue Bestimmung der mechanischen Eigenschaft ermöglichen, wobei gleichzeitig der benötigte Zeitaufwand für die Inbetriebnahme und Durchführung der Bestimmung verringert wird.
[0007] Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer mechanischen Eigenschaft eines Untersuchungsobjekts. Die mechanische Eigenschaft kann insbesondere der Kompressionsmodul sein. Selbstverständlich können auch andere oder mehr als eine mechanische Eigenschaft
bestimmt werden, beispielsweise (noch) die Schallgeschwindigkeit im Untersuchungsobjekt.
[0008] Das Untersuchungsobjekt kann aus menschlichem oder tierischem Gewebe bestehen. Beispielsweise kann das Untersuchungsobjekt ein Auge oder
ein Teil davon sein. Insbesondere kann das Untersuchungsobjekt die Hornhaut des Auges sein. Selbstverständlich ist die Erfindung aber nicht auf diese Art
von Untersuchungsobjekten begrenzt. Beispielsweise kann ein Untersuchungsobjekt auch gasförmig,
flüssig oder fest sein. Insbesondere kann es z. B.
auch ein Polymer sein.
[0009] Die Vorrichtung weist eine erste Signalquelle zum Erzeugen eines ersten Signals mit einer ers-
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ten Frequenz auf. Das erste Signal ist in das Untersuchungsobjekt einkoppelbar. Somit kann die erste
Signalquelle derart angeordnet und/oder ausgebildet
sein, dass das erzeugte erste Signal in das Untersuchungsobjekt einkoppelbar ist. Beispielsweise kann
das erste Signal in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt werden. Auch kann die Vorrichtung mindestens ein Mittel zur Einkopplung des erzeugten ersten
Signals in das Untersuchungsobjekt umfassen.
[0010] Dieses erste Signal kann insbesondere monochromatisches Licht mit einer vorbestimmten Frequenz sein. Die erste Frequenz kann veränderbar,
insbesondere einstellbar, sein. Z. B. kann die vorbestimmte Frequenz in einem vorbestimmten Frequenzbereich einstellbar sein. Insbesondere ist die
erste Signalquelle eine Laserquelle.
[0011] Die Frequenz(en) des ersten Signals und/
oder das Untersuchungsobjekt sollten insbesondere
derart gewählt sein, dass das Untersuchungsobjekt
für das erste und das weitere Signal zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, transparent ist.
[0012] Die Vorrichtung weist weiter eine weitere Signalquelle zum Erzeugen eines weiteren Signals mit
einer weiteren Frequenz auf. Die weitere Frequenz
ist von der ersten Frequenz verschieden. Die weitere Frequenz kann ebenfalls veränderbar, insbesondere einstellbar, sein. So kann die Frequenz des mindestens einen weiteren Signals in einem bestimmten
Frequenzbereich veränderbar sein.
[0013] Das weitere Signal kann insbesondere ein Ultraschallsignal sein. So kann die zweite Signalquelle
zumindest ein Piezoelement zur Erzeugung des weiteren Signals umfassen.
[0014] Das erste und das weitere Signal ist derart
in das Untersuchungsobjekt einkoppelbar, dass sich
das erste und weitere Signal in zumindest einem Teilbereich des Untersuchungsobjekts überlagern. Somit
kann die weitere Signalquelle derart angeordnet und/
oder ausgebildet sein, dass das erzeugte weitere Signal in das Untersuchungsobjekt entsprechend einkoppelbar ist. Insbesondere kann auch das weitere
Signal in das Untersuchungsobjekt eingestrahlt werden. Auch kann die Vorrichtung mindestens ein Mittel
zur entsprechenden Einkopplung des erzeugten weiteren Signals in das Untersuchungsobjekt umfassen.
[0015] Der Begriff „Überlagern” kann ein räumliches
Überlagern bedeuten. Insbesondere kann „Überlagern” aber bedeuten, dass die beiden Signale derart in das Untersuchungsobjekt eingekoppelt werden,
dass mindestens eine Signaleigenschaft des ersten
Signals bei Anwesenheit des weiteren Signals verändert wird. Die Signaleigenschaft kann insbesondere
eine Strahlrichtung des ersten Signals oder eines Anteils davon sein. So kann die mindestens eine Signal-
eigenschaft des ersten Signals durch das weitere Signal oder durch Effekte, die das zweite Signal im Untersuchungsobjekt bewirkt, verändert werden. Insbesondere kann das erste Signal durch das weitere Signal gestreut werden.
[0016] Hierbei kann das erste und das weitere Signal derart in das Untersuchungsobjekt eingekoppelt
werden, dass sich die Signale unter einem vorbestimmten oder bestimmbaren Schnittwinkel schneiden. Der Schnittwinkel kann hierbei einen Winkel zwischen den Ausbreitungsrichtungen der Signale bezeichnen. Der Schnittwinkel ist hierbei ungleich 90°.
Bevorzugt weicht der Winkel jedoch maximal um vorbestimmtes geringes Maß von 90° ab, beispielsweise
um nicht mehr als 0.1°, 0.2°, 0.5° oder 1°. Beispielsweise kann der Schnittwinkel 89.9° betragen. Alternativ kann der Schnittwinkel in einem Bereich um 90°
herum liegen, beispielsweise in einem Bereich von
45° bis 135°, jedoch nicht 90° entsprechen.
[0017] Der Schnittwinkel kann hierbei veränderbar,
insbesondere einstellbar, sein. Hierzu kann z. B. eine
Lage und/oder Ausrichtung der ersten und/oder der
weiteren Signalquelle verändert werden, beispielsweise manuell und/oder aktorgestützt.
[0018] Weiter umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zur Erfassung einer Intensität eines gestreuten
Anteils des ersten Signals, wobei der gestreute Anteil ein durch das weitere Signal gestreuter Anteil
des ersten Signals ist. Das Merkmal, dass ein Anteil des ersten Signals durch das weitere Signal gestreut wird, umfasst hierbei den Fall, dass ein Anteil des ersten Signals durch Effekte, die durch das
zweite Signal im Untersuchungsobjekt bewirkt werden, gestreut wird. Insbesondere kann das erste Signal aufgrund von Dichteschwankungen im Untersuchungsobjekt gestreut werden, wobei die Dichteschwankungen durch das weitere Signal bewirkt
werden. Durch die Dichteschwankungen kann insbesondere ein so genanntes Dichte- oder Schallgitter im
Untersuchungsobjekt ausgebildet werden.
[0019] Alternativ oder kumulativ umfasst die Vorrichtung eine Einrichtung zur Erfassung einer Intensität eines nicht-gestreuten Anteils des ersten Signals,
wobei der nicht-gestreute Anteil ein nicht durch das
weitere Signal gestreuter Anteil des ersten Signals
ist.
[0020] Es ist möglich, dass eine gemeinsame Einrichtung zur Erfassung einer Intensität sowohl die Intensität des gestreuten Anteils als auch des nichtgestreuten Anteils erfasst, wobei dann die Intensität
des gestreuten Anteils und/oder des nicht-gestreuten Anteils aus der Gesamtintensität bestimmt werden kann, z. B. rechnerisch.
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[0021] Auch kann entweder eine Einrichtung zur Erfassung einer Intensität des gestreuten Anteils oder
eine Einrichtung zur Erfassung einer Intensität des
nicht-gestreuten Anteils vorgesehen sein, wobei die
Einrichtung zur Erfassung einer Intensität des gestreuten Anteils nur die Intensität des gestreuten Anteils erfasst, wobei die Einrichtung zur Erfassung einer Intensität des nicht-gestreuten Anteils nur die Intensität des nicht-gestreuten Anteils erfasst. Selbstverständlich können auch sowohl eine Einrichtung
zur Erfassung einer Intensität des gestreuten Anteils
oder eine Einrichtung zur Erfassung einer Intensität
des nicht-gestreuten Anteils vorgesehen sein, wobei
die Einrichtung zur Erfassung einer Intensität des gestreuten Anteils nur die Intensität des gestreuten Anteils erfasst, wobei die Einrichtung zur Erfassung einer Intensität des nicht-gestreuten Anteils nur die Intensität des nicht-gestreuten Anteils erfasst.
[0022] Insbesondere kann eine Einrichtung zur Erfassung der Intensität derart ausgebildet und/oder
angeordnet sein, dass nur die Intensität des gestreuten Anteils oder nur des nicht-gestreuten Anteils erfassbar ist.
[0023] Die Einrichtung zur Erfassung der Intensität
kann dann ein Ausgangssignal erzeugen, welches
die Intensität repräsentiert.
[0024] Wie nachfolgend noch näher erläutert, kann
die Frequenz des ersten Signals und/oder die Frequenz des weiteren Signals und/oder der Schnittwinkel verändert werden, bis die erfasste Intensität
des gestreuten Anteils maximal ist und/oder die Intensität des nicht-gestreuten Anteils minimal ist. Ist
die Frequenz veränderbar, so ist selbstverständlich
auch die zur Frequenz korrespondierende Wellenlänge veränderbar. Weiter kann die mindestens eine
mechanische Eigenschaft in Abhängigkeit einer Frequenz bzw. Wellenlänge des ersten Signals und/oder
einer Frequenz bzw. Wellenlänge des weiteren Signals und/oder des Schnittwinkels bestimmbar sein,
für die die erfasste Intensität des gestreuten Anteils
maximal ist und/oder die Intensität des nicht-gestreuten Anteils minimal ist.
[0025] Weiterhin kann die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der mechanischen
Eigenschaft umfassen. Mittels der Auswerteeinrichtung kann die Intensität des gestreuten Anteils und/
oder des nicht-gestreuten Anteils des ersten Signals
auswertbar und die vorhergehend beschriebene Bestimmung der mechanische Eigenschaft durchführbar sein.
[0026] Die Erfindung nutzt die Interferenz von Wellen des ersten Signals bei Streuung durch das weitere Signal, insbesondere durch das vom weiteren Signal im Untersuchungsobjekt erzeugte Dichtegitter.
Es kann davon ausgegangen werden, dass die In-
tensität des gestreuten Anteils maximal ist und/oder
die Intensität des nicht-gestreuten Anteils minimal ist,
wenn die so genannte Bragg-Bedingung erfüllt ist. In
diesem Fall kann aus der Bragg-Bedingung in Abhängigkeit der Wellenlänge des ersten Signals, eines
Schnittwinkels der Signale sowie einer gewünschte Ordnungszahl die Wellenlänge des weiteren Signals im Untersuchungsobjekt bestimmt werden. Die
Wellenlänge des ersten Signals, des Schnittwinkels
der Signale sowie die Ordnungszahl können bekannt
oder mittels geeigneter Verfahren bestimmbar sein.
Die Ordnungszahl kann vorzugsweise Eins betragen.
[0027] In Abhängigkeit der Wellenlänge des ersten Signals, der Frequenz des weiteren Signals,
des Schnittwinkels sowie einer Ordnungszahl kann
dann die Ausbreitungsgeschwindigkeit des weiteren
Signals im Untersuchungsobjekt bestimmt werden.
Weiter kann in Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit die mechanische Eigenschaft bestimmt
werden. Vorzugsweise kann als mechanische Eigenschaft der Kompressionsmodul bestimmt werden,
welcher in Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit und einer Dichte des Untersuchungsobjekts
bestimmt werden kann. Die Dichte kann bekannt
oder mittels eines geeigneten Verfahrens bestimmbar sein.
[0028] Wie nachfolgend noch näher erläutert, kann
das erste Signal ein Lasersignal und das weitere Signal ein Ultraschallsignal sein. Die nachfolgenden Ausführungen sind auf diese Signale bezogenen, können jedoch als beispielhaft für die Verwendung beliebiger Signale verstanden werden. Das Untersuchungsobjekt kann mit Ultraschallwellen beaufschlagt werden, sodass im Gewebe ein sogenanntes Schallgitter erzeugt wird. Dieses Schallgitter besteht in den Dichteschwankungen einer das Untersuchungsobjekt durchlaufenden Schallwelle. Die
Schallwelle bewirkt im Untersuchungsobjekt eine periodische Änderung der Dichte und damit eine periodische Modulation des Brechungsindexes. Die Linien des Gitters sind voneinander mit einem Abstand, der einer Wellenlänge λUS der Ultraschallwelle entspricht, beabstandet. Dabei ist die Wellenlänge λUS mit der Schallgeschwindigkeit (Ausbreitungsgeschwindigkeit) cUS und der Schallfrequenz fus wie
folgt verknüpft:
λUS = cUS/fUS
(Formel 1).
[0029] Wird nun in das Untersuchungsobjekt das Lasersignal eingestrahlt, so wird das Lasersignal durch
die Dichteschwankungen gestreut. Unter Einhaltung
der Bragg-Bedingung lässt sich ein mathematischer
Zusammenhang zwischen der Wellenlänge λ des einfallenden Laserstrahls und der Wellenlänge λUS des
Ultraschallsignals herleiten:
λUS = mλ/(2sin(90° – α))
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(Formel 2)
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wobei α der Schnittwinkel zwischen Ultraschallsignal
und Lasersignal ist und m eine natürliche Zahl ist, die
die gewünschte Beugungsordnung angibt. Die Zahl
m wird hierbei vorzugsweise als Eins angenommen.
[0030] Ist die Bragg-Bedingung erfüllt, führt dies zu
einer Interferenzverstärkung des gestreuten Lasersignals. Um die Bragg-Bedingung zu erfüllen, können
die Wellenlänge des Ultraschallsignals, die Wellenlänge des Lasersignals und/oder der Schnittwinkel α
verändert werden. Ist einer dieser Parameter oder
sind mehrere oder alle Parameter derart eingestellt,
dass die Intensität des gestreuten Lasersignals maximal ist, dann lässt sich aus der Frequenz des Lasersignals die Schallgeschwindigkeit im Untersuchungsobjekt berechnen, nämlich durch
cUS = mλfUS/(2sin(90° – α))
(Formel 3)
[0031] Daraus lässt sich eine mechanische Eigenschaft des Gewebes, z. B. der Kompressionsmodul,
durch
K = (cUS^2 × ρ)
(Formel 4)
berechnen, wobei ρ die Dichte des Untersuchungsobjekts bezeichnet.
[0032] Insgesamt ermöglicht die vorgeschlagene
Vorrichtung eine einfache und zeitlich schnell vorzubereitende als auch durchzuführende Bestimmung
mindestens einer mechanischen Eigenschaft des Untersuchungsobjekts.
[0033] In einer weiteren Ausführungsform umfasst
die Vorrichtung mindestens ein Mittel zur Signalführung und/oder -formung des ersten Signals. Selbstverständlich kann die Vorrichtung auch ein oder mehrere Mittel zur Signalführung und/oder ein oder mehrere Mittel zur Signalformung aufweisen.
[0034] Durch das mindestens eine Mittel zur Signalführung und/oder -formung kann das erste Signal in
einen gewünschten Teilbereich des Untersuchungsobjekts mit einer gewünschten Ausbreitungsrichtung
eingekoppelt werden. Durch ein Mittel zur Signalführung kann z. B. eine Signalausbreitungsrichtung geändert werden. Durch ein Mittel zur Signalformung
kann das Signal z. B. gestreut oder gebündelt werden.
[0035] Wenn es sich bei dem ersten Signal um ein
Lasersignal handelt, dann kann das Mittel zur Signalführung ein Mittel zur Strahlführung des Lasersignals
sein. Dieses Mittel kann z. B. als eine Glasfaser ausgebildet sein oder eine Glasfaser umfassen. Auch
kann das Mittel mindestens ein Prisma, eine Linse
und/oder mindestens einen Reflektor, beispielsweise einen Spiegel, umfassen. Das Mittel kann direkt
oder indirekt, z. B. über ein Kontaktmedium, auf ei-
ne Oberfläche des Untersuchungsobjekts aufsetzbar
sein. Das Kontaktmedium kann z. B. Ultraschallgel
sein.
[0036] Weiter kann das Mittel zur Signalführung und/
oder -formung eine Öffnung oder eine Ausnehmung
aufweisen oder ausbilden, in der das Untersuchungsobjekt anordenbar ist. Alternativ kann das mindestens eine Mittel zur Signalführung und/oder -formung an einem Tragelement angeordnet sein, wobei
das Tragelement die Öffnung oder Ausnehmung aufweist. In diesem Fall kann auch das Tragelement direkt oder indirekt, z. B. über ein Kontaktmedium, auf
die Oberfläche des Untersuchungsobjekts aufsetzbar
sein.
[0037] Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise,
dass das erste Signal in einen gewünschten Teilbereich des Untersuchungsobjekts mit einer gewünschten Ausbreitungsrichtung eingekoppelt werden kann.
[0038] Selbstverständlich kann die Vorrichtung auch
mindestens ein Mittel zur Signalführung und/oder
-formung des weiteren Signals aufweisen. Dieses
kann die vorhergehend bezüglich des Mittels zur Signalführung und/oder -formung des ersten Signals
erläuterten Eigenschaften aufweisen.
[0039] In einer weiteren Ausführungsform umfasst
das Mittel zur Strahlführung des ersten Signals ein
Gonioskop oder ist als Gonioskop ausgebildet. Ein
Gonioskop kann auch als Kontaktglas bezeichnet
werden. Das Gonioskop kann hierbei ein oder mehrere reflektierende(n) Bereich(e) aufweisen. Ein reflektierender Bereich kann z. B. durch einen Spiegel ausgebildet werden. In diesem Fall kann das Gonioskop auch als Spiegelgonioskop bezeichnet werden. Ein reflektierender Bereich kann derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass das auf den reflektierenden Bereich eingestrahlte erste Signal unter einem gewünschten Reflexionswinkel reflektiert
wird. Der Reflexionswinkel kann beispielsweise 89,
9° oder auch 90° betragen. Anwendungsabhängig
können selbstverständlich aber auch andere Reflexionswinkel bereitgestellt werden. Wichtig ist, dass der
Reflexionswinkel derart gewählt wird, dass sich ein
Schnittwinkel ungleich 90° ergibt.
[0040] Das Gonioskop kann eine zentrale Öffnung
aufweisen, in der das Untersuchungsobjekt, beispielsweise das Auge, anordenbar ist. In diesem Fall
kann der mindestens eine reflektierende Bereich um
die Öffnung herum angeordnet sein.
[0041] Durch das Gonioskop kann dann das erste
Signal im Wesentlichen senkrecht zu einer zentralen
Symmetrieachse des Untersuchungsobjekts in dieses eingekoppelt werden. Ist das Untersuchungsobjekt ein Auge, so kann die zentrale Symmetrieachse
die Pupillenachse sein.
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[0042] Das erste Signal kann über weitere Mittel zur
Strahlführung des ersten Signals, z. B. eine Glasfaser, in das Gonioskop einkoppelbar oder einstrahlbar
sein.
[0043] Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache und zuverlässige Einkopplung des ersten Signals in das Untersuchungsobjekt, sodass ein
gewünschter Schnittwinkel mit dem weiteren Signal
gewährleistet werden kann.
[0044] In einer weiteren Ausführungsform umfasst
die Einrichtung zur Erfassung einer Intensität mindestens eine Photodiode. Insbesondere kann eine Einrichtung zur Erfassung der Intensität des gestreuten
Anteils als auch eine Einrichtung zur Erfassung des
nicht-gestreuten Anteils jeweils mindestens eine oder
genau eine Photodiode umfassen.
[0045] Die mindestens eine oder genau eine Photodiode oder eine Anordnung mehrerer Photodioden
kann hierbei derart ausgebildet und/oder angeordnet
sein, dass nur der gestreute Anteil oder nur der nichtgestreute Anteil des ersten Signals durch die Photodiode(n) erfasst wird.
[0046] Bei einer Einrichtung zur Erfassung der Intensität des nicht-gestreuten Anteils können mindestens
zwei oder mehrere Photodioden derart beabstandet
angeordnet werden, dass der nicht-gestreute Anteil
des ersten Signals zwischen diesen Photodioden hindurchstrahlt, ohne von den Photodioden erfasst zu
werden.
[0047] Bei einer Einrichtung zur Erfassung der Intensität des gestreuten Anteils kann, wie nachfolgend
noch näher erläutert, auch ein Filterelement optisch
vor der/den Photodiode(n) angeordnet sein, welches
nur den gestreuten Anteil des ersten Signals durchlässt.
[0048] Eine Einrichtung zur Erfassung der Intensität
des gestreuten als auch des nicht-gestreuten Anteils
kann mindestens zwei Photodioden umfassen, wobei
eine der Photodioden den gestreuten Anteil und eine
Photodiode den nicht-gestreuten Anteil erfasst.
[0049] Selbstverständlich kann aber auch ein anderer ein- oder zweidimensionaler Sensor verwendet
werden, der die Intensität des gestreuten ersten Signals erfasst und ein davon abhängiges Ausgangssignal erzeugt. Auch kann die Einrichtung zur Erfassung der Intensität eine Gesamtintensität des gestreuten als auch des nicht-gestreuten Anteils erfassen, wobei ein Auswertemittel der Einrichtung zur Erfassung der Intensität des gestreuten Anteils dann
die Intensität des gestreuten Anteils aus der Gesamtintensität bestimmt. Denkbar ist z. B. dass die Einrichtung zur Erfassung ein Array von mehreren Pho-
todioden, insbesondere einen CCD-Chip oder einen
CMOS-Chip, umfasst.
[0050] In einer weiteren Ausführungsform umfasst
die Vorrichtung mindestens ein Filterelement zum Filtern des gestreuten Anteils und/oder des nicht-gestreuten Anteils des ersten Signals.
[0051] Das mindestens eine Filterelement kann insbesondere dazu dienen, den nicht durch das weitere Signal gestreuten Anteil des ersten Signals, der
durch das Untersuchungsobjekt hindurchstrahlt, aus
der Signalgesamtheit herauszufiltern. Herausfiltern
kann bedeuten, dass eine Intensität des nicht-gestreuten Anteils reduziert, insbesondere vollständig
eliminiert wird. In diesem Fall wird nur der gestreute
Anteil des ersten Signals von der Einrichtung zur Erfassung der Intensität des ersten Signals detektiert.
Das mindestens eine Filterelement kann beispielsweise ein optisches Filterelement sein. Denkbar sind
z. B. dem Fachmann bekannte räumlich-optische Filter. Das Filterelement kann dabei ein Teil der Einrichtung zur Erfassung des gestreuten Anteils des ersten
Signals sein.
[0052] Entsprechend kann das mindestens eine Filterelement dazu dienen, den durch das weitere Signal gestreuten Anteil des ersten Signals, der durch
das Untersuchungsobjekt hindurchstrahlt, aus der Signalgesamtheit herauszufiltern. In diesem Fall wird
nur der nicht-gestreute Anteil des ersten Signals von
der Einrichtung zur Erfassung der Intensität des ersten Signals detektiert.
[0053] In einer weiteren Ausführungsform ist das
mindestens eine Filterelement als eine inverse Lochblende ausgebildet. Auch kann das Filterelement eine inverse Lochblende umfassen. Die inverse Lochblende kann eine Einrichtung bezeichnen, die in einem zentralen Bereich undurchlässig oder wenig
durchlässig für das erste Signal, welches das Untersuchungsobjekt durchstrahlt, ist. Um den zentralen
Bereich herum kann ein für das erste Signal durchlässiger Bereich angeordnet sein. Eine Größe, beispielsweise ein Durchmesser des zentralen Bereichs, kann
derart gewählt sein, dass der nicht durch das weitere Signal gestreute Anteil nicht durch den zentralen
Bereich der inversen Lochblende strahlen kann. Der
durch das weitere Signal gestreute Anteil kann neben
dem zentralen Bereich durch die inverse Lochblende
strahlen. Selbstverständlich ist bei der Anwendung
das Filterelement dementsprechend zu positionieren.
[0054] Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine einfache Filterung des gestreuten Anteils.
[0055] In einer bevorzugten Ausführungsform ist das
erste Signal ein Infrarotsignal, insbesondere IR-Lasersignal. Die Frequenz des ersten Signals entspricht
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insbesondere einer Wellenlänge von 600 nm bis 1400
nm.
[0056] Alternativ, bevorzugt aber kumulativ, ist das
weitere Signal ein Ultraschallsignal. Die Frequenz
des weiteren Signals liegt insbesondere im Bereich
von 1 MHz bis 100 MHz.
[0057] In diesem Fall kann die erste Signalquelle eine Einrichtung zur Erzeugung von Laserlicht sein,
während die weitere Signalquelle eine Signalquelle
zur Erzeugung von Ultraschallsignalen ist.
[0058] In einer weiteren Ausführungsform umfasst
die Vorrichtung eine Positioniereinrichtung zum Positionieren der ersten Signalquelle. Die Positioniereinrichtung kann die erste Signalquelle entlang genau einer oder entlang mehrere Raumrichtungen positionieren. Insbesondere kann die erste Signalquelle senkrecht zu einer Richtung, die parallel zu der
vorhergehend erläuterten zentralen Symmetrieachse des Untersuchungsobjekts orientiert ist, positionierbar sein. In Zusammenwirken mit dem ebenfalls
vorhergehend erläuterten Gonioskop kann somit eine Einkopplung des ersten Signals in das Untersuchungsobjekt in verschiedenen Tiefenebenen erfolgen, wobei die Tiefe entlang der zentralen Symmetrieachse erfasst wird.
[0059] Die Positioniereinrichtung kann sowohl mechanisch als auch elektrisch betrieben werden. Z. B.
kann die Positioniereinrichtung als ein XY-Tisch ausgebildet sein, der mechanisch oder elektrisch gesteuert werden kann. Durch das Positionieren der ersten Signalquelle kann ein ortsaufgelöstes Bestimmen
der mechanischen Eigenschaft erfolgen, insbesondere ein zweidimensionales Abrastern des Objekts. In
diesem Fall kann das erste Signal also in vorteilhafter
Weise in verschiedene Bereiche des Untersuchungsobjekts eingekoppelt werden.
[0060] In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die
Einkopplung des weiteren Signals in das Untersuchungsobjekt mit einer vorbestimmten Einkopplungsfrequenz. Die Einkopplungsfrequenz gibt hierbei eine Häufigkeit von Startzeitpunkten einer Einkopplung
des weiteren Signals in das Untersuchungsobjekt pro
einer festen Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde, an. Ab dem Startzeitpunkt kann das weitere Signal dann für eine vorbestimmte Zeitdauer in das Untersuchungsobjekt eingekoppelt werden. Auch kann
die Einkopplungsfrequenz eine Häufigkeit von Startzeitpunkten einer Erzeugung des weiteren Signals
in das Untersuchungsobjekt pro einer festen Zeiteinheit, beispielsweise pro Sekunde, angeben.
[0061] Hierzu kann die Vorrichtung beispielsweise eine Frequenz-Generatoreinrichtung umfassen.
Die Frequenz-Generatoreinrichtung kann ein Ausgangssignal erzeugen, dass die Einkopplungsfre-
quenz kodiert. Beispielsweise kann eine Grundfrequenz des Ausgangssignals der Frequenz-Generatoreinrichtung der Einkopplungsfrequenz entsprechen. Das Ausgangssignal kann insbesondere ein Sinussignal oder ein Rechtecksignal sein. Das weitere
Signal kann mit dem Ausgangssignal moduliert werden. Die Modulation kann insbesondere eine Amplitudenmodulation sein. In diesem Fall kann die Einkopplungsfrequenz der Modulationsfrequenz des weiteren
Signals entsprechen. Somit entspricht die Frequenz,
mit der das erste Signal durch das weitere Signal gestreut wird ebenfalls der Einkopplungsfrequenz. Mit
anderen Worten entspricht die Modulationsfrequenz
des weiteren Signals der Modulationsfrequenz des
gestreuten als auch des nicht gestreuten Anteils des
ersten Signals.
[0062] Die Frequenz des Ausgangssignals ist insbesondere kleiner ist als die Frequenz des weiteren Signals.
[0063] Durch eine nicht-dauerhafte Einkopplung des
weiteren Signals kann in vorteilhafter Weise der
durch das weitere Signal gestreute Anteil leichter
identifiziert werden, da eine Streuung ebenfalls nur
mit der Einkopplungsfrequenz erfolgt.
[0064] In einer weiteren Ausführungsform weist die
Vorrichtung eine Lock-In-Verstärkereinrichtung zur
Verstärkung des gestreuten Anteils auf. Die Frequenz des Referenzsignals der Lock-In-Verstärkereinrichtung entspricht der Einkopplungsfrequenz. Die
Lock-In-Verstärkereinrichtung kann hierbei signaltechnisch mit der Einrichtung zur Erfassung einer
Intensität des gestreuten Anteils gekoppelt sein.
Auch die vorhergehend erläuterte Frequenz-Generatoreinrichtung kann signaltechnisch mit der LockIn-Verstärkereinrichtung gekoppelt sein, insbesondere mit einem Referenzfrequenzeingang der Lock-InVerstärkereinrichtung.
[0065] Die Lock-In-Verstärkereinrichtung kann insbesondere die Anteile des Ausgangssignals der Einrichtung zur Erfassung der Intensität des gestreuten Anteils verstärken oder bereitstellen, die die gleiche Frequenz wie das Referenzsignal aufweisen. Da
das Referenzsignal die Frequenz aufweist mit der
auch die Streuung durch das weitere Signal auftritt,
kann somit insbesondere der gestreute Anteil verstärkt oder bereitgestellt werden, während die nicht
durch das weitere Signal gestreuten Anteile reduziert
oder eliminiert werden.
[0066] Hierdurch wird in vorteilhafter Weise die Zuverlässigkeit bei der Bestimmung der Intensität des
gestreuten Anteils erhöht.
[0067] Weiter wird ein Verfahren zur Bestimmung
einer mechanischen Eigenschaft eines Untersuchungsobjekts vorgeschlagen. Hierbei wird ein ers-
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tes Signal mit einer ersten Frequenz in das Untersuchungsobjekt eingekoppelt, wobei ein weiteres Signal mit einer weiteren Frequenz in das Untersuchungsobjekt eingekoppelt wird, wobei die weitere
Frequenz von der ersten Frequenz verschieden ist.
Das erste und/oder das weitere Signal werden derart
in das Untersuchungsobjekt eingekoppelt, dass sich
das erste und weitere Signal in zumindest einem Teilbereich des Untersuchungsobjekts überlagern. Hierbei kann das erste und das weitere Signal derart in
das Untersuchungsobjekt eingekoppelt werden, dass
sich die Signale unter dem vorhergehend bereits erläuterten Schnittwinkel schneiden.
werden. Weiter kann in Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit und einer vorbestimmten oder
bestimmbaren Dichte der Kompressionsmodul bestimmt werden.
[0068] Weiter wird eine Intensität eines gestreuten
Anteils des ersten Signals erfasst, wobei der gestreute Anteil ein durch das weitere Signal gestreuter Anteil des ersten Signals ist. Alternativ oder kumulativ
wird eine Intensität des nicht-gestreuten Anteils des
ersten Signals erfasst, wobei der nicht-gestreute Anteil ein nicht durch das weitere Signal gestreuter Anteil des ersten Signals ist.
[0075] In einer weiteren Ausführungsform wird die
erfasste Intensität mit einer Lock-In-Verstärkereinrichtung verstärkt. Dabei entspricht eine Frequenz
eines Referenzsignals der Lock-In-Verstärkereinrichtung der Einkopplungsfrequenz. Dies wurde ebenfalls vorhergehend erläutert.
[0069] Weiter wird/werden die erste Frequenz und/
oder die weitere Frequenz und/oder der Schnittwinkel derart eingestellt, dass die Intensität des gestreuten Anteils maximal ist bzw. maximiert wird. Alternativ
oder kumulativ wird/werden die erste Frequenz und/
oder die weitere Frequenz und/oder der Schnittwinkel derart eingestellt, dass die Intensität des nichtgestreuten Anteils minimal ist bzw. minimiert wird.
Hierbei entspricht die Veränderung einer Frequenz
selbstverständlich auch der Veränderung der korrespondierenden Wellenlänge. Weitere Messbedingungen können hierbei selbstverständlich konstant
bleiben.
[0070] Vorzugsweise wird nur die weitere Frequenz
derart eingestellt, dass die Intensität des gestreuten Anteils maximal ist bzw. maximiert wird und/oder
die Intensität des nicht-gestreuten Anteils minimal ist
bzw. minimiert wird, wobei die erste Frequenz und
der Schnittwinkel konstant sind.
[0071] Weiter wird die mindestens eine mechanische Eigenschaft in Abhängigkeit der ersten Frequenz bzw. der Wellenlänge des ersten Signals, des
Schnittwinkels und der weiteren Frequenz bzw. der
Wellenlänge des weiteren Signals bestimmt, für die
die Intensität des gestreuten Anteils maximal ist und/
oder die Intensität des nicht-gestreuten Anteils minimal ist.
[0072] Die mechanische Eigenschaft kann hierbei
wie vorhergehend erläutert bestimmt werden. Insbesondere kann in Abhängigkeit der Wellenlänge des
ersten Signals, des Schnittwinkels, einer gewünschten Ordnungszahl sowie der Frequenz des weiteren Signals eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des
weiteren Signals im Untersuchungsobjekt bestimmt
[0073] Das Verfahren ist hierbei in vorteilhafter Weise mit einer Vorrichtung gemäß einer der vorhergehend erläuterten Ausführungsformen durchführbar.
[0074] In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die
Einkopplung des weiteren Signals mit einer vorbestimmten Einkopplungsfrequenz. Dies wurde ebenfalls vorhergehend erläutert.
[0076] In einer weiteren Ausführungsform wird das
erste Signal in verschiedene Bereiche, insbesondere
in verschiedene Tiefenebenen, des Untersuchungsobjekts eingekoppelt. Dies wurde ebenfalls vorhergehend erläutert.
[0077] Insbesondere ist die vorgeschlagene Vorrichtung derart ausgestaltet, dass mit der Vorrichtung ein
biologisches Gewebe, insbesondere eine Hornhaut
eines Auges erfassbar ist.
[0078] Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren. Es zeigen:
[0079] Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Beugungsgeometrie des ersten Signals an einem Schallgitter, das aus Dichteschwankungen einer
ein Untersuchungsobjekt durchlaufenden Schallwelle besteht,
[0080] Fig. 2 eine mögliche Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Spiegelgonioskop und
[0081] Fig. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, ähnlich wie in Fig. 2, mit einem Blockschaltbild.
[0082] Nachfolgend bezeichnen gleiche Bezugszeichen Elemente mit gleichen oder ähnlichen technischen Merkmalen.
[0083] In Fig. 1 sind schematisch Beugungseffekte eines ersten Signals 3 an einem Schallgitter 50
dargestellt, wobei das Schallgitter 50 von einem Ultraschallsignal erzeugt wird, welches in ein Untersuchungsobjekt eingekoppelt wird. Das Schallgitter 50
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ist durch Gitterlinien 1 dargestellt, die mit einem Abstand 2 voneinander beabstandet sind. Der Abstand
2, in dem die Gitterlinien 1 des Schallgitters 50 voneinander beabstandet sind, entspricht einer Wellenlänge des Ultraschallsignals. Eine Ultraschallnormale 4 stellt die Hauptausbreitungsrichtung des Ultraschallsignals dar, das in dem Untersuchungsobjekt
Dichteschwankungen in Form des Schallgitters 50 erzeugt.
[0084] Ein Infrarotsignal ist hierbei durch einen Pfeil
3 angedeutet, der gleichzeitig auch die Hauptstrahlrichtung des Infrarotsignals darstellt. Das Infrarotsignal wird dabei unter einem vorbestimmten Winkel α
zur Ultraschallnormalen 4 in das Untersuchungsobjekt eingekoppelt und an den Gitterlinien 1 des Schallgitters 50 gestreut, sodass ein gestreuter Anteil 6 des
Infrarotsignals entsteht. Im Fall einer konstruktiven
Interferenz weist der gestreute Anteil 6 des Infrarotsignals 3 eine maximale Intensität auf.
[0085] In Fig. 2 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Hierbei dient die Vorrichtung zum Bestimmen einer mechanischen Eigenschaft der Hornhaut 7 eines Auges, welches ein Untersuchungsobjekt darstellt. Die Vorrichtung umfasst
ein Spiegelgonioskop 40, welches auf die Hornhaut
7 des Auges z. B. über ein Ultraschallgel 16 aufgesetzt ist. Das Spiegelgonioskop 40 weist zwei Prismen 9 auf, die symmetrisch zu einer vertikalen Mittelachse 70 des Spiegelgonioskops 40 angeordnet sind.
An den äußeren, seitlichen Flächen 8a der Prismen
9 sind Spiegel 8 angeordnet. Das Spiegelgonioskop
40 weist weiterhin die seitlichen Flächen 41 auf, die
zueinander parallel angeordnet sind und sich parallel
zur vertikalen Mittelachse 70 des Spiegelgonioskops
40 erstrecken. In einem unteren Abschnitt des Spiegelgonioskops 40 weist dieses abgeschrägte seitliche Flächen auf, die mit einem vorbestimmten Winkel von beispielsweise 45° gegenüber den seitlichen
Flächen 41 abgeschrägt angeordnet sind. An diesen
abgeschrägten seitlichen Flächen sind die Spiegel 8
als auch die äußeren, seitlichen Flächen 8a der Prismen 9 angeordnet. In einem zentralen Bereich weist
das Spiegelgonioskop 40 eine Öffnung auf, in der das
Auge angeordnet ist, wenn das Spiegelgonioskop 40
auf das Auge aufgesetzt ist. Die seitliche Fläche 8a
des Prismas 9 kann verspiegelt oder nicht verspiegelt sein. Wenn die seitliche Fläche 8a des Prismas 9
nicht verspiegelt ist, kann das Prisma 9 mit der seitlichen Fläche 8a an einem Spiegel 8 anliegen. Wichtig
ist, dass das erste Signal 3 an den seitlichen Flächen
8a des Prismas 9 reflektiert werden kann, um in die
Hornhaut 7 einzukoppeln.
[0086] Weiter umfasst die Vorrichtung eine Signalquelle (nicht dargestellt) zur Erzeugung des Infrarotsignals. Diese Signalquelle kann das Infrarotsignal
in ein Mittel 14 zur Strahlführung des Infrarotsignals,
beispielsweise eine Glasfaser, einkoppeln. Das In-
frarotsignal verlässt über ein Auskopplungselement
10 das Mittel 14 zur Strahlführung und wird auf das
Spiegelgonioskop 40, insbesondere auf das vorhergehend erläuterte Prisma 9, gestrahlt. Somit trifft das
erste Signal 3 auf eines der Prismen 9, das insbesondere als ein PMMA-Prisma ausgebildet ist, und wird
in die Hornhaut 7 des Auges eingekoppelt.
[0087] Wird das Infrarotsignal auf eines der Prismen
9 gestrahlt, so wird das Infrarotsignal mit einem vorbekannten Reflexionswinkel reflektiert. Insbesondere
kann das Infrarotsignal derart reflektiert werden, dass
es im Wesentlichen quer durch das Auge verläuft.
Durch das auf der gegenüberliegenden Seite angeordnete Prisma 9 wird das durch das Auge gestrahlte Infrarotsignal wieder mit einem vorbekannten Reflexionswinkel reflektiert. Die zentrale Mittelachse 70
kann parallel zu Pupillenachse sein.
[0088] Weiter umfasst die Vorrichtung einen Ultraschallwandler 13, der auf die Hornhaut 7 des Auges über ein Ultraschallgel 16 aufgesetzt ist. Eine Ultraschallnormale 4 (siehe Fig. 1) kann parallel oder
schräg zur zentralen Mittelachse 70 orientiert sein.
[0089] Wesentlich ist, dass die Ausbreitungsrichtung
des Infrarotsignals und die Orientierung der Ultraschallnormalen im Auge derart eingestellt werden,
dass sich ein Schnittwinkel ungleich 90° zwischen
den Ausbreitungsrichtungen des Infrarotsignals und
des Ultraschallsignals ergibt. Wird z. B. das Infrarotsignal parallel zu der zentralen Mittelachse 70 auf eines
der Prismen 9 gestrahlt und mit einem Reflexionswinkel von beispielsweise 90° reflektiert und in das Auge
eingekoppelt, so ist der Ultraschallwandler 13 derart
aufzusetzen, dass die Ultraschallnormale schräg, also nicht parallel, zur zentralen Mittelachse 70 orientiert ist.
[0090] Der Ultraschallwandler 13 koppelt Schallwellen über die Hornhaut 7 ein, sodass Dichteschwankungen mit entsprechendem Schallgitter 50 in der
Hornhaut 7 ausgebildet werden. Somit kommt es im
Bereich der Hornhaut 7 dazu, dass das Infrarotsignal
am bzw. durch das Schallgitter 50 gestreut wird.
[0091] Weiter wird der durch das Schallgitter 50 gestreute und nicht-gestreute Anteil des Infrarotsignals
über ein weiteres Prisma 9 aus dem Auge ausgekoppelt und an der seitlichen Fläche 8a dieses Prismas 9 bzw. am entsprechenden Spiegel 8 reflektiert. Somit wird der gestreute und nicht-gestreute Anteil des Infrarotsignals aus dem Spiegelgonioskop 40
ausgekoppelt und strahlt zum Filterelement 11. Das
Filterelement 11 ist insbesondere als inverse Lochblende ausgebildet. Das Filterelement 11 lässt hierbei nur den gestreuten Anteil 17 des Infrarotsignals
zu einer Photodiode 12 passieren. Vorzugsweise ist
das Filterelement 11 derart ausgestaltet, dass von
der Photodiode 12 nur die erste Beugungsordnung
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des gestreuten Anteils 17 des Infrarotsignals erfasst
wird. Allerdings ist es auch möglich, dass das Filterelement 11 derart ausgestaltet ist, dass von der
Photodiode 12 zusätzlich eine oder mehrere von der
ersten Beugungsordnung verschiedene Beugungsordnungen des gestreuten Anteils 17 des Infrarotsignals erfasst wird/werden. Vorzugsweise ist sicherzustellen, dass die Anzahl der erfassten Beugungsordnungen während der Veränderung der Frequenz
des Funktionssignals konstant bleibt.
[0092] Die Photodiode 12 erzeugt ein Ausgangssignal, dessen Stärke oder Intensität proportional zur
Intensität des auf die Photodiode 12 gestrahlten Signals und somit proportional zur Intensität des gestreuten Anteils ist.
[0093] In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Lock-in Verstärker 20. Der LockIn Verstärker 20 weist eine Signalverbindung 35 zur
Photodiode 12 und eine weitere Signalverbindung 36
zu einem Referenzsignal-Generator 21 auf. Der Referenzsignal-Generator 21 ist über eine Signalverbindung 37 mit einem Funktionsgenerator 23 verbunden. Der Funktionsgenerator 23 ist über eine Signalverbindung 30 mit dem Ultraschallwandler 13 und
über eine weitere Signalverbindung 38 mit einem Oszilloskop 22 verbunden.
[0094] Weiter umfasst die Vorrichtung eine erste
Signalquelle 24, die insbesondere eine Laserquelle
sein kann. Weiter dargestellt ist ein Mittel 14 zur Signalführung des ersten Signals, das zum Einkoppeln
des von der Laserquelle erzeugten Infrarotsignals in
das Spiegelgonioskop 40 dient.
[0095] Der Funktionsgenerator 23 erzeugt ein Funktionssignal mit einer Ultraschallfrequenz, z. B. 8 MHz.
Durch das Oszilloskop 22 wird das generierte Funktionssignal dargestellt. Der Ultraschallwandler 13 erzeugt entsprechend dem Funktionssignal ein Ultraschallsignal, welches in das Auge eingekoppelt wird.
[0096] Der Referenzsignal-Generator 21 erzeugt ein
Referenzsignal. Das von dem Funktionsgenerator 23
erzeugte Funktionssignal wird mit dem Referenzsignal moduliert. Dies führt dazu, dass der Ultraschallwandler periodisch, insbesondere mit der Referenzfrequenz, aktiviert wird. Hierdurch wird das Ultraschallsignal nur periodisch und nicht konstant in das
Auge eingekoppelt.
[0097] Diese Referenzfrequenz ist insbesondere
kleiner als die Frequenz des Funktionssignals. Z. B.
liegt sie im Bereich von 5 Hz bis 5 MHz. Das Referenzsignal wird über die Signalverbindung 36 an den
Lock-In Verstärker 20 übertragen und dient als Referenzsignal des Lock-In-Verstärkers 20. Der Lock-In
Verstärker 20 empfängt außerdem ein Ausgangssi-
gnal von der Photodiode 12. Insbesondere verstärkt
der Lock-in Verstärker 20 nur den Signalanteil des
Ausgangssignals der Photodiode 12, dessen Frequenz mit der Frequenz des Referenzsignals übereinstimmt.
[0098] Die Frequenz des Funktionssignals ist veränderbar. Insbesondere kann diese Frequenz so eingestellt werden, dass die Intensität des Ausgangssignals der Photodiode 12 bzw. des von dem Lock-InVerstärker 20 verstärkten Signals maximal ist. Hierbei kann die maximale Intensität die Intensität bezeichnen, die im Vergleich zu den Intensitäten, die bei
anderen Frequenzen des Funktionssignals (und somit des Ultraschallsignals) auftreten, am größten ist.
[0099] In Abhängigkeit der Frequenz des Funktionssignals, bei der die Intensität des Ausgangssignals der Photodiode 12 bzw. des von dem Lock-InVerstärker 20 verstärkten Signals maximal ist, kann
dann, wie vorhergehend erläutert, die mechanische
Eigenschaft des Auges, insbesondere der Kompressionsmodul, der Hornhaut 7 bestimmt werden.
[0100] Die erste Signalquelle und/oder das Auskoppelelement 10 können in einer Raumrichtung, die orthogonal zu der in Fig. 2 dargestellten zentralen Mittelachse 70, orientiert ist, bewegbar sein. Insbesondere kann die Bewegung entlang einer Achse erfolgen, die in der in Fig. 2 dargestellten Zeichenebene liegt. Die Bewegung kann hierbei durch eine nicht dargestellte Positioniereinrichtung erfolgen.
Aufgrund der durch das Spiegelgonioskop 40 bewirkten Strahlrichtungsänderung kann durch eine solche
Bewegung das erste Signal in unterschiedliche Bereiche, insbesondere Tiefenebenen, der Hornhaut 7 in
das Auge eingekoppelt werden. Somit kann die mechanische Eigenschaft ortsaufgelöst bestimmt werden.
[0101] Weiter dargestellt ist, dass der Referenzsignal-Generator 21 und die Photodiode 12 jeweils signaltechnisch mit dem zum Oszilloskop 22 verbunden sind. Somit kann das von der Photodiode 12 erzeugte Ausgangssignal und somit dessen Intensität,
insbesondere auch die maximale Intensität, mittels
des Oszilloskops 22 dargestellt werden. Auch das
modulierte weitere Signal sowie das Referenzsignal
kann mittels des Oszilloskops 22 dargestellt werden.
[0102] Nicht dargestellt ist eine Einrichtung zur Frequenzbestimmung. Dies kann beispielsweise mit
dem Mittel 14 zur Strahlführung signaltechnisch verbunden sein, um eine Frequenz des Infrarotsignals
zu bestimmen, insbesondere wenn dieses veränderlich ist. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise
ein Wavelengthmeter oder ein Spektrometer sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich
zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw.
Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur
-
DE 102013211854 [0005]
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
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-
-
Scarcelli et al. „Brillouin Optical Microscopy for Corneal Biomechanics”, Invest Ophthalmol Vis Sci., vol. 53(1): 185–90, 2012
[0003]
Berovic et al. ”Observation of Brillouin Scattering from single muscle fibres”, European Biophysical Journal, vol. 17, 69–74, 1989 [0003]
Vaughan et al. ”Brillouin scattering, density
and elastic properties of the lens and cornea
of the eye”. Nature vol. 284, 489–491, 1980
[0003]
Reiß et al. „Ex Vivo Measurement of Postmortem Tissue Changes in the Crystalline
Lens by Brillouin Spectroscopy and Confocal
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on bio-medical engineering. Vol. 59, 2348–
2354, 2012 [0004]
Reiß et al. „Spatially resolved Brillouin spectroscopy to determine the rheological properties of the eye lens”, Biomedical Optics Express. Vol. 2, 2144–2159, 2011 [0004]
Scarcelli et al. „In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye”, Optics Express,
Vol. 20, 9197–9202, 2012 [0004]
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Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung einer mechanischen Eigenschaft eines Untersuchungsobjekts, wobei die Vorrichtung aufweist:
– eine erste Signalquelle zum Erzeugen eines ersten
Signals mit einer ersten Frequenz, wobei das erste
Signal in das Untersuchungsobjekt einkoppelbar ist,
– eine weitere Signalquelle zum Erzeugen eines weiteren Signals mit einer weiteren Frequenz, wobei
die weitere Frequenz von der ersten Frequenz verschieden ist, wobei die weitere Frequenz veränderbar ist, wobei das weitere Signal derart in das Untersuchungsobjekt einkoppelbar ist, dass sich das erste und weitere Signal in zumindest einem Teilbereich
des Untersuchungsobjekts überlagern,
– eine Einrichtung zur Erfassung einer Intensität eines gestreuten Anteils (6) des ersten Signals, wobei
der gestreute Anteil (6) ein durch das weitere Signal
gestreuter Anteil des ersten Signals ist und/oder
– eine Einrichtung zur Erfassung einer Intensität eines nicht-gestreuten Anteils des ersten Signals, wobei der nicht-gestreute Anteil ein nicht durch das weitere Signal gestreuter Anteil des ersten Signals ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens ein Mittel
(14) zur Signalführung und/oder -formung des ersten
Signals umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Signalführung (14)
des ersten Signals ein Gonioskop (40) umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erfassung der Intensität des gestreuten
Anteils und/oder die Einrichtung zur Erfassung des
nicht-gestreuten Anteils mindestens eine Photodiode
(12) umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens ein Filterelement (11) zum Filtern des gestreuten Anteils und/oder des nicht-gestreuten Anteils des ersten Signals aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (11) als eine inverse Lochblende ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal ein Infrarotsignal und/oder das weitere Signal ein Ultraschallsignal ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Positioniereinrichtung zum Positionieren der ersten Signalquelle umfasst.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Einkopplung des weiteren Signals in das Untersuchungsobjekt mit einer vorbestimmten Einkopplungsfrequenz erfolgt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Lock-InVerstärkereinrichtung (20) zur Verstärkung des gestreuten Anteils (6) umfasst, wobei eine Frequenz
des Referenzsignals der Lock-In-Verstärkereinrichtung (20) der Einkopplungsfrequenz entspricht.
11. Verfahren zur Bestimmung einer mechanischen Eigenschaft eines Untersuchungsobjekts, wobei ein erstes Signal mit einer ersten Frequenz in
das Untersuchungsobjekt eingekoppelt wird, wobei
ein weiteres Signal mit einer weiteren Frequenz in
das Untersuchungsobjekt eingekoppelt wird, wobei
die weitere Frequenz von der ersten Frequenz verschieden ist, wobei das weitere Signal derart in das
Untersuchungsobjekt eingekoppelt wird, dass sich
das erste und weitere Signal in zumindest einem Teilbereich des Untersuchungsobjekt überlagern, wobei
eine Intensität eines gestreuten Anteils (6) des ersten Signals erfasst wird, wobei der gestreute Anteil
(6) ein durch das weitere Signal gestreuter Anteil (6)
des ersten Signal ist und/oder wobei eine Intensität
eines nicht-gestreuten Anteils (6) des ersten Signals
erfasst wird, wobei der nicht-gestreute Anteil (6) ein
nicht durch das weitere Signal gestreuter Anteil (6)
des ersten Signal ist, wobei die erste Frequenz und/
oder die weitere Frequenz und/oder ein Schnittwinkel
(α) des ersten und des weiteren Signals derart eingestellt wird, dass die Intensität des gestreuten Anteils
(6) maximal ist und/oder die Intensität des nicht-gestreuten Anteils minimal ist, wobei die mindestens eine mechanische Eigenschaft in Abhängigkeit der ersten Frequenz, des Schnittwinkels (α) und der weiteren Frequenz bestimmt wird, für die die Intensität des
gestreuten Anteils (6) maximal ist und/oder die Intensität des nicht-gestreuten Anteils minimal ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplung des weiteren
Signals mit einer vorbestimmten Einkopplungsfrequenz erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erfasste Intensität mit einer
Lock-In-Verstärkereinrichtung (20) verstärkt wird, wobei eine Frequenz eines Referenzsignals der Lock-InVerstärkereinrichtung der Einkopplungsfrequenz entspricht.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Signal
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in verschiedene Bereiche des Untersuchungsobjekts
eingekoppelt wird.
Es folgen 3 Seiten Zeichnungen
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Anhängende Zeichnungen
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