DE19825518C2 - Vorrichtung zur Messung von Parameteränderungen an lichtdurchlässigen Objekten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Parameteränderungen an lichtdurchlässigen Objekten, insbesondere für medizinische Anwendungen, mit ei­ ner Lichtquelle, einem optischen Zeilensensor, der in mindestens einer Ausdeh­ nungsrichtung des Objektes die Intensität des durch das Objekt durchtretenden Lichts der Lichtquelle in Abhängigkeit des Ortes erfaßt, und mit einer Rechenein­ heit, die die Verteilung der von dem optischen Zeilensensor erfaßten Lichtintensi­ täten in Abhängigkeit des Ortes mit mindestens einer vorgegebenen Referenzver­ teilung vergleicht.

Insbesondere bei medizinischen Anwendungen besteht der Bedarf, unterschiedli­ che Parameter von in Schläuchen geführten und/oder in Behältnissen aufbewahr­ ten Flüssigkeiten zu detektieren.

Aus der US 5,644,402 ist eine optische Meßvorrichtung zur Detektion von roten Blutkörperchen bekannt, die beispielsweise in einer künstlichen Niere eingesetzt werden kann. Die Meßvorrichtung besteht aus einem Infarotsender, einem Infarot­ empfänger sowie zwei Spiegeln, die derart um einen medizinischen Schlauch an­ geordnet sind, daß bei leerem Schlauch das ausgesendete Licht über eine einfache Reflektion zum Empfänger gelangt und bei mit Blut gefülltem Schlauch aufgrund der Lichtbrechung das ausgesendete Licht zumindest teilweise über eine Mehr­ fachreflektion zum Empfänger gelangt. Da die Mehrfachreflektion nur bei der Anwesenheit von roten Blutkörperchen auftritt, ist es mit dieser Vorrichtung möglich, bereits geringste Konzentrationen von Blut in einer Flüssigkeit zu detektieren.

Aus EP 0 634 642 A1 ist eine optische Meßvorrichtung zur Messung von Konzen­ trationen bestimmter Stoffe, wie z. B. Glucose, rote Blutkörperchen, Proteine, in Flüssigkeiten bekannt. Das Meßprinzip basiert auf der sog. Lambert-Beerschen Formel, die einen Zusammenhang zwischen der Konzentration einer Lösung und deren Lichtabsorption angibt. Die Meßvorrichtung besteht folglich aus einer Licht­ quelle, die annähernd paralleles Licht liefert, einem Meßobjekt mit variabler opti­ scher Weglänge und einem optischen Sensor, der die Intensität des durch das Ob­ jekt durchtretenden Lichts der Lichtquelle für verschiedene optische Weglängen erfaßt. Hierbei sind sowohl Vorrichtungen vorgesehen, die zu einem Zeitpunkt meh­ rere Messungen für verschiedene optische Weglängen erlauben, als auch Vorrich­ tungen, mit denen zu einem Zeitpunkt nur eine optische Weglänge meßbar ist. Die Signale des optischen Sensors werden durch eine Recheneinheit ausgewertet, in der die Lambert-Beersche Formel implementiert ist.

Aus der DE 41 32 965 A1 ist eine optische Meßvorrichtung bekannt, die in einer Blutzentrifuge die Trenngrenze zwischen roten Blutkörperchen und dem Blutplasma erkennt. Hierbei werden die Bestandteile in der Blutzentrifuge mit einer Lichtquelle bestrahlt und das reflektierte Licht von einem optischen Zeilensensor erfaßt. Die von dem Zeilensensor empfangenen Signale werden an eine Recheneinheit wei­ tergeleitet, in der die Helligkeitsgrenze zwischen dem Blutplasma und den roten Blutkörperchen ausgewertet wird. Entsprechend der Helligkeitsgrenze wird eine Regeleinheit angesteuert, die eine Plasmapumpe so lange betätigt, bis keine Hel­ ligkeitsgrenze mehr zu erkennen ist und sich nur noch rote Blutzellen in der Blut­ zentrifuge befinden.

Die europäische Anmeldung EP 0 105 661 zeigt ein Gerät zur Inspektion von Schaltkreismustern, verwendet bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen. Von einer punktförmigen Quelle ausgestrahltes Licht, welches durch eine Lichtmaske, auf der die Schaltkreise abgebildet sind, auf einen linearen Sensor fällt, kann die relative Position der einzelnen Schaltkreise ermittelt werden.

Auch in der DE 195 17 194 wird ähnlich einer o. g. linearen CCD-Anordnung eine Prüfung mittels Beleuchtung durchgeführt. Im vorliegenden Fall werden zur besse­ ren Auswertung zwei parallel zueinander angeordnete CCD-Arrays benutzt. Eine Auswerteeinheit vergleicht die elektrischen Signale mit einer Referenz, wodurch eine Aussage über die ortsbezogene Übereinstimmung von Merkmalen möglich ist, z. B. bei der Prüfung von Banknoten.

Auch das Folieninspektionssystem, welches in dem DE-GM 296 02 092 U1 be­ schrieben ist, arbeitet ebenfalls mit einer linearen Zeilenkamera. Eine Fremdlicht­ blende, die gleichzeitig als Schlitzblende wirkt, erstreckt sich parallel zu der Licht­ quelle, einer Langfeldleuchte. Dadurch wird ein ebenfalls linearer Lichteinfall ent­ lang einer Folienbahn erzeugt und äußere Lichtreflexe vermieden.

Ein Nachteil der bekannten optischen Meßvorrichtungen besteht darin, daß für jede Anwendung eine spezielle Konstruktion vorgesehen werden muß, was bei Produkt­ reihen mit verschiedenen Sensoren für jedes Produkt spezielle Anpassungen und Neuentwicklungen erforderlich macht, wodurch letztendlich insgesamt höhere Ko­ sten entstehen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine optische Meßvorrichtung zu schaffen, die für verschiedene Anwendungen universell einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung zur Messung von Parameter­ änderungen an lichtdurchlässigen Objekten nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1 dadurch gelöst, daß das Objekt ein medizinisches Behältnis ist, in das ein flüssiges Medium, beispielsweise Blut, geleitet wird.

Die erfindungsgemäße Lösung basiert dabei auf der Erkenntnis, daß mit dieser An­ ordnung die verschiedensten optischen Parameter eines lichtdurchlässigen Objekts von der Recheneinheit ausgewertet werden können. Mögliche Parameter können Trübung, Färbung, Streuung, Lichtbrechung, Unregelmäßigkeiten im Objekt sowie Bewegung oder die Größe von Teilchen sein. Wesentlich ist dabei, daß in der Re­ cheneinheit mindestens eine vorgegebene Referenzverteilung abgespeichert ist, mit der die von dem optischen Zeilensensor erfaßten Lichtintensitäten in Abhängig­ keit des Ortes verglichen werden können. Die Referenzverteilung wird dabei vor­ zugsweise einmalig vor der eigentlichen Messung anhand eines Objektes mit be­ kannten Parametern aufgenommen. Auf diese Weise können also Parameterände­ rungen gegenüber dem jeweils bekannten Objekt einfach bestimmt werden, ohne daß eine absolute Ermittlung der jeweiligen Parameter erforderlich ist. Dies hat zu­ sätzlich den Vorteil, daß jeweils gleiche Störgrößen in der Vorrichtung bei der Auf­ nahme der Referenzverteilung und der eigentlichen Messung sich herausmitteln.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle eine punktförmige Lichtquelle. Eine derartige Lichtquelle weist eine strahlenförmige Lichtabstrahlung in Richtung des optischen Zeilensensors auf. Bei Objekten mit parallelen Begren­ zungsflächen, die sich ebenfalls parallel zum optischen Zeilensensor erstrecken, hat die Verwendung einer punktförmigen Lichtquelle den Vorteil, daß sich an den parallelen Wänden eine definierte Lichtbrechung einstellen kann. Außerdem ergibt sich aufgrund des Abstandsgesetzes eine charakteristische Intensitätsverteilung am optischen Zeilensensor, die sich für einen Vergleich mit einer vorgegebenen Referenzverteilung besonders gut eignet.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann aber auch eine Lichtquelle verwendet werden, die annähernd paralleles Licht liefert. Bei einer derartigen Licht­ quelle kann wiederum die Tatsache ausgenutzt werden, daß bei einem Objekt mit parallelen Wänden, die senkrecht zu den parallelen Lichtstrahlen ausgerichtet sind, gerade keine Lichtbrechung an dem Objekt erfolgt. Somit kann die Lichtbre­ chung gezielt mit einer derartigen Lichtquelle vermieden werden, falls an diesem Parameter gerade kein Interesse besteht.

Selbstverständlich ist es auch denkbar, daß beide Arten von Lichtquellen kombi­ niert zum Einsatz kommen. In diesem Fall kann die Auswertung des Lichts der Lichtquellen jeweils zeitversetzt erfolgen, wobei dann die jeweils andere Lichtquelle ausgeschaltet ist. Denkbar ist aber auch eine gleichzeitige Auswertung beider Lichtquellen mit zwei optischen Zeilensensoren, wenn durch entsprechende Trennwände ein Übersprechen des Lichts beider Lichtquellen vermieden wird.

Der optische Zeilensensor besteht vorzugsweise aus einem bekannten CCD- Sensor (CCD = Charged Coupled Device). Mit einem derartigen Sensor ist eine Erfassung der Lichtintensitäten sowohl in einer Ausdehnungsrichtung als auch in zwei Ausdehnungsrichtungen der jeweiligen Objekte möglich. Wird ein zweidimen­ sionaler CCD-Sensor eingesetzt, so funktioniert die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend, wenn statt einer eindimensionalen Referenzverteilung entsprechend eine zweidimensionale Referenzverteilung zugrunde gelegt wird. Eine zweidimen­ sionale Erfassung der Lichtintensitäten kann mitunter den Vorteil haben, daß die jeweiligen Parameteränderungen noch genauer bestimmt werden können.

Die Aufnahme der Referenzverteilungen erfolgt jeweils anhand eines Referenzob­ jektes. Die Intensitäten werden dabei über einen AD-Wandler in digitale Werte ge­ wandelt und in der Recheneinheit abgespeichert. Die Recheneinheit besteht dabei üblicherweise aus einem Mikroprozessor und/oder aus einem Signalprozessor so­ wie daran angeschlossenen Speicher- und Peripherieeinheiten. Vorzugsweise wird dabei eine Referenzverteilung zunächst ohne Beeinflussung durch ein Objekt oder ein "leeres" Objekt (z. B. leere Flüssigkeitsleitung) zwischen Lichtquelle und opti­ schem Zeilensensor aufgenommen und in der Recheneinheit abgespeichert. Das zwischen der Lichtquelle und dem optischen Zeilensensor befindliche, in seinen optischen Eigenschaften neutrale Objekt wird dabei im folgenden als "Dummy- Objekt" bezeichnet.

Mit einer Referenzverteilung anhand eines Dummy-Objekts können Änderungen der gemessenen Lichtintensität am optischen Zeilensensor erfaßt werden. Soll die Messung der Lichtintensität farbselektiv erfolgen, weist der optische Zeilensensor üblicherweise getrennte Farbsensoren auf, insbesondere für die Farben rot, grün und blau. Für diese Farbsensoren sind vorzugsweise entsprechend jeweils ge­ trennte Referenzverteilungen aufgenommen, so daß auch eine farbselektive Ände­ rung der Lichtintensitäten erfolgen kann. Es ist auch möglich, daß anstelle von far­ bempfindlichen Sensoren Farbfilter eingesetzt worden. Dies gilt auch für den Ein­ satz von Polarisationsfiltern. Falls eine ganz bestimmte Färbung und/oder Polarisa­ tion in einem Objekt von Interesse ist, kann eine besonders genaue Messung da­ durch erfolgen, daß eine Referenzverteilung aufgrund eines Objekts mit bekannter Änderung der Farbfilter-/Polarisationscharakteristik gegenüber dem Dummy-Objekt aufgenommen wird. Sobald aufgrund des Vergleichs in der Recheneinheit die größte Ähnlichkeit zwischen der Verteilung des Meßobjekts und dieser abgespei­ cherten Referenzverteilung festgestellt wird, liegt die bekannte Farbfilter- /Polarisationscharakteristik vor.

Zur Messung einer bestimmten Lichtbrechung des Objekts ist weiterhin vorzugs­ weise eine Referenzverteilung in der Recheneinheit abgespeichert, die aufgrund eines Objekts mit bekannter Änderung der Lichtbrechungscharakteristik gegenüber dem Dummy-Objekt aufgenommen wurde. Bei einer laufenden Messung gibt es hierbei insbesondere zwei Möglichkeiten, die eine Änderungen der Lichtbrechungs­ eigenschaften an dem Objekt hervorrufen können. Zum einen kann eine veränderte optische Dichte des Objekts eine geringere oder stärkere Lichtbrechung des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts hervorrufen. Wesentlich ist dabei die punktför­ mige Eigenschaft der Lichtquelle, wodurch strahlenförmig das Licht gegenüber dem Objekt abgestrahlt wird, so daß eine Lichtbrechung entsprechend unter verschie­ denen Einfallswinkeln des Lichts erfolgt. Zum anderen kann sich aber auch die geometrische Form des Objektes ändern, wodurch aufgrund sich ändernder Ein­ fallswinkel ebenfalls Änderungen in der Lichtbrechung entstehen.

Zur Messung einer bestimmten Lichtstreuung an dem Objekt ist weiterhin in der Recheneinheit vorzugsweise eine Referenzverteilung abgespeichert, die aufgrund eines Objekts mit bekannter Änderung der Streuungscharakteristik gegenüber dem Dummy-Objekt aufgenommen wurde. Im Gegensatz zur Lichtbrechung basiert die Lichtstreuung dabei auf der Streuung an Teilchen, die eine Ausdehnung in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts haben. Hierdurch erfolgt eine diffuse Aufweitung der aufgenommenen Verteilung auf Orte, die ohne das Vorhandensein von streuenden Teilchen im Schatten liegen würden.

Entsprechend den oben beschriebenen Parametern kann auch mit anderen opti­ schen Parametern verfahren werden, um weitere Referenzverteilungen aufzuneh­ men.

Eine andere Möglichkeit zur Bereitstellung der Referenzverteilungen besteht darin, daß die mindestens eine Referenzverteilung auf einem mathematischen Modell beruht. Das mathematische Modell kann dabei beispielsweise auf einer auf einer Kurvenformanalyse meßtechnisch ermittelter Werte beruhen. Soweit die Kurvena­ nalyse dabei aufgrund der oben beschriebenen Meßkurven erfolgt, kann gegenüber der direkten Abspeicherung der meßtechnisch ermittelten Referenzverteilungen erheblicher Speicherplatz eingespart werden. Statt den einzelnen Meßwerten ist es demgegenüber nämlich lediglich erforderlich, eine mathematische Funktion abzu­ speichern, die bei Bedarf für einen bestimmten Ort den jeweiligen Verteilungsort liefert. Das mathematische Modell kann aber auch auf theoretischen Beziehungen der technischen Optik aufgestellt werden, die sich aufgrund der optischen Eigen­ schaften des Objekts ergeben.

Der Vergleich in der Recheneinheit zwischen der aufgenommenen Verteilung des Objekts und der jeweils abgespeicherten Referenzverteilung erfolgt vorzugsweise aufgrund einer Korrelation mit der jeweiligen Referenzverteilung. Eine Korrelation basiert dabei auf einer Multiplikation der jeweiligen Verteilungen für jeden Ort und einer nachfolgenden Integration über alle Orte. Zweckmäßigerweise kann man da­ bei den Korrelationswert auf die maximale Übereinstimmung normieren, also wenn gerade zwei übereinstimmende Referenzverteilungen zugrundegelegt werden. Hierdurch ergibt sich ein prozentualer Korrelationswert, der eine Aussage der Pa­ rameteränderung an dem zu messenden Objekt gegenüber dem Dummy-Objekt bzw. dem der Referenzverteilung zugrundeliegenden Objekt erlaubt. Um einen aussagekräftigen Korrelationswert bei gemessenen Verteilungen zu erhalten, bei denen neben einer Intensitätsabschwächung ein weiterer Parameter verändert wurde, bietet es sich an, die Intensitätsabschwächung alleine anhand des Integrals der aufgenommenen Verteilung verglichen mit dem Integral der Referenzverteilung des Dummy-Objekts zu bestimmen und hinsichtlich der anderen Verteilung das Maximum der aufgenommenen Verteilung mit der betreffenden Referenzverteilung auf einen gemeinsamen Wert zu normieren. Auf diese Weise kann der Einfluß der Intensitätsabschwächung bei der Korrelation mit einer weiteren Referenzverteilung näherungsweise eliminiert werden.

Zusammenfassend liefert die Recheneinheit somit das Ergebnis des Vergleichs entsprechende Aussagen über die Parameteränderungen gegenüber allen abge­ speicherten Referenzverteilungen und diesen zugrundeliegenden Objekten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird in der Medizintechnik eingesetzt, wobei das Objekt hier ein medizinisches Behältnis, beispielsweise ein medizinischer Schlauch ist, in das ein flüssiges Medium, beispielsweise Blut, geleitet wird. Zur Aufnahme von bestimmten Referenzverteilungen kann der Schlauch mit Flüssig­ keiten gefüllt werden, die bekannte optische Eigenschaften aufweisen, oder aber der Schlauch kann mit Flüssigkeiten gefüllt werden, die vorzugsweise detektiert werden sollen. Bei einem in einem medizinischen Schlauch geleiteten Medium ist weiterhin zu berücksichtigen, daß sich die Eigenschaften des durchfließenden Me­ diums über die Zeit ständig ändern können. Deshalb ist vorzugsweise vorgesehen, daß die gemessenen Parameteränderungen in Abhängigkeit von der Zeit gespei­ chert werden, wobei über die abgespeicherten Werte zusätzlich eine dynamische Änderung der Parameter des flüssigen Mediums erfaßt wird.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung zur Messung von Parameteränderungen an lichtdurchlässigen Objekten, insbesondere für medi­ zinische Anwendungen, mit einer Lichtquelle, die annähernd paralleles Licht liefert, mit einem optischen Zeilensensor, der in mindestens einer Ausdehnungsrichtung des Objektes die Intensität des durch das Objekt durchtretenden Lichts der Lichtquelle in Abhängigkeit des Ortes erfaßt, und mit einer Recheneinheit zur Weiterver­ arbeitung der von dem optischen Zeilensensor erfaßten Lichtintensitäten, wobei das Objekt ein medizinisches Behältnis ist, in das ein flüssiges Medium, beispiels­ weise Blut, geleitet wird.

Im Gegensatz zu der ersten Ausführungsform wird bei der zweiten Ausführungs­ form die Lichtquelle auf eine Lichtquelle mit annähernd parallelem Licht beschränkt. Soweit das Objekt geradlinige Begrenzungsflächen aufweist, die senkrecht zu dem Strahlengang der Lichtquelle zwischen Lichtquelle und dem optischen Zeilensensor eingebracht werden, werden Effekte der Lichtbrechung eliminiert. Soweit das Ob­ jekt auch keine streuenden Eigenschaften aufweist, wird also durch das parallele Licht eine direkte Schattenabbildung auf den optischen Zeilensensor erreicht. Hier­ durch ist man nicht auf einen Vergleich in der Recheneinheit mit einer vorgegebe­ nen Referenzverteilung angewiesen.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß in der Recheneinheit von der Verteilung der von dem optischen Zeilensensor erfaßten Lichtintensitäten die erste Ableitung nach dem Ort gebildet wird. Diese Anordnung eignet sich somit sehr gut zur Analyse von Materialeinschlüssen oder sonstigen Inhomogenitäten in dem Objekt, ohne daß verfälschende Effekte aufgrund Streuung oder Lichtbre­ chung berücksichtigt werden müssen. Da die erste Ableitung nach dem Ort an den Schattengrenzen aufgrund der Materialeinschlüsse oder sonstigen Inhomogenitä­ ten besonders hohe Werte liefert, kann auf diese Weise eine einfache Auswertung erfolgen, ohne daß vorab eine Referenzmessung durchgeführt werden muß.

Mit dieser Anordnung kann beispielsweise ein Luftblasendetektor für einen medizi­ nischen Schlauch aufgebaut werden, in dem ein flüssiges Medium, beispielsweise Blut, geleitet wird.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung nach der ersten und/oder nach der zweiten Ausführungsform wird somit insgesamt eine optische Meßvorrichtung geschaffen, die für die verschiedensten Anwendungen universell einsetzbar ist, ohne daß für jede Anwendung die jeweilige Meßvorrichtung in aufwendiger Weise speziell ange­ paßt werden muß. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung kann damit in wesentlich höherer Stückzahl und damit kostengünstig produziert werden.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung nach der ersten Ausfüh­ rungsform mit einem medizinischen Schlauch als Objekt,

Fig. 2a eine Referenzverteilung, die ohne Beeinflussung durch ein Objekt zwischen Lichtquelle und optischem Zeilensensor aufgenommen wurde,

Fig. 2b getrennte Verteilungen für die Farben grün, rot und blau bei einem gefärbten Objekt,

Fig. 2c eine Referenzverteilung aufgrund eines Objekts mit bekannter Streuungscharakteristik,

Fig. 2d eine Referenzverteilung aufgrund eines Objekts mit bekannter Lichtbrechungscharakteristik,

Fig. 2e eine gemessene Verteilung aufgrund eines Objekts mit einge­ schlossenen Teilchen oder Unregelmäßigkeiten, und

Fig. 3 eine Meßvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform mit einem medizinischen Schlauch als Objekt zur Erkennung von Luftblasen.

Fig. 1 zeigt eine Meßvorrichtung nach der ersten Ausführungsform mit einem medi­ zinischen Schlauch als Objekt. Ihrem grundsätzlichen Aufbau nach besteht die Meßvorrichtung aus einem CCD-Sensor 3, dessen Signale von einer Recheneinheit 4 ausgewertet werden. Das Ergebnis der Auswertung wird über den Ausgabekanal 7 zur weiteren Auswertung oder Anzeige ausgegeben. Der CCD-Sensor 3 und die Recheneinheit 4 sind in einem nicht näher dargestellten Gehäuse untergebracht und bilden dabei eine Einheit, die für alle Anwendungen gleichermaßen verwendet werden kann. In fester örtlicher Zuordnung zu dem Gehäuse ist eine ebenfalls nicht näher dargestellte Halterung vorgesehen, an der eine punktförmige Lichtquelle 1 befestigt ist. Zwischen der Lichtquelle 1 und dem CCD-Sensor 3 befindet sich ein Meßobjekt 2, das ein medizinischer Schlauch 6 ist, in dem in flüssiges Medium 5 geführt wird. Von der Lichtquelle 1 gehen strahlenförmig Lichtstrahlen 8 aus, die das Objekt 2 durchleuchten und danach auf dem CCD-Sensor 3 auftreffen.

Abhängig von der Dicke sowie der optischen Dichte des Schlauchmantels 6 und der optischen Dichte des Mediums 5 werden die Lichtstrahlen 8 dabei beim Durch­ gang durch das Objekt 2 in charakteristischer Weise gebrochen. Außerdem können weitere Beeinflussungen aufgrund von Trübung, Färbung, streuenden Teilchen, Unregelmäßigkeiten oder Schatten bildenden Teilchen in dem Medium entstehen. Diese Unregelmäßigkeiten sind voraussetzungsgemäß die Parameter, die in dem Medium bestimmt werden sollen. Die Auswertung wird dabei anhand von Bild 2 erläutert.

Die Auswertung basiert grundsätzlich darauf, daß vor den eigentlichen Messungen verschiedene Referenzverteilungen anhand von Objekten mit bekannten optischen Eigenschaften aufgenommen werden, mit denen die Verteilung der vom optischen Zeilensensor während der Messung erfaßten Lichtintensitäten in Abhängigkeit des Ortes verglichen werden. Vorzugsweise findet der Vergleich dabei anhand einer Korrelation statt, die auf der Multiplikation der Einzelwerte mit anschließender Inte­ gration basiert. Neben der meßtechnischen Erfassung der Referenzverteilungen ist es auch möglich, mathematische Modelle zugrunde zu legen, anhand derer die Referenzverteilungen ermittelt werden können. Die mathematischen Modelle kön­ nen dabei wiederum auf einer Kurvenformanalyse meßtechnisch ermittelter Werte oder aber auch auf physikalischen Gesetzen der Optik beruhen.

Fig. 2a zeigt eine Referenzverteilung, die ohne Beeinflussung durch ein Objekt zwi­ schen Lichtquelle und optischem Zeilensensor aufgenommen wurde. Das dabei zwischen der Lichtquelle und dem CCD-Sensor befindliche Objekt mit seinen neu­ tralen optischen Eigenschaften wird als Dummy-Objekt bezeichnet. Die Referenz­ verteilung 10 in Fig. 2a zeigt aufgrund der punktförmigen Lichtquelle gemäß des Abstandsgesetzes eine gaußförmige Verteilung.

Fig. 2b zeigt die Verhältnisse, die bei einer reinen Farbmessung eines Objekts ent­ stehen. Das Objekt beeinflußt den Strahlengang lediglich hinsichtlich der Farbin­ tensitäten, wie dies beispielsweise durch eine dünne Filterscheibe geschehen kann. Für die Farben grün, rot und blau weist der CCD-Sensor 3 jeweils getrennte Farb­ sensoren auf, für die die Verteilungen 11, 12 und 13 aufgenommen wurde. Diese sind im Vergleich zu der Referenzverteilung 10 gemäß Fig. 2a abgeschwächt. Aus der jeweiligen Abschwächung im Vergleich zu der Referenzverteilung 10 kann auf die Färbung des Objekts geschlossen werden.

Fig. 2c zeigt eine Referenzverteilung aufgrund eines Objekts mit bekannter Streu­ ungscharakteristik. Streuung entsteht dabei an Teilchen, die eine Ausdehnung in der Größenordnung des Lichts aufweisen. Bei gleichmäßig statistisch verteilten Teilchen in einem Medium, das in einem Schlauch gemäß Fig. 1 geführt ist, ent­ steht dabei eine reproduzierbare Aufweitung bzw. Abflachung der gemessenen In­ tensitätsverteilung. Eine derartige Verteilung 14 ist im Vergleich zu der Referenz­ verteilung 10 eines Dummy-Objekts eingetragen.

Fig. 2d zeigt in entsprechender Weise eine Referenzverteilung 15 aufgrund eines Objekts mit bekannter Lichtbrechungscharakteristik im Vergleich zu einer Refe­ renzverteilung 10 aufgrund eines Dummy-Objekts. Wie in Fig. 2d angedeutet, er­ folgt bei der Lichtbrechung dabei je nach optischer Dichte des Mediums eine Licht­ brechung zur Mitte des CCD-Sensors hin, die eine entsprechende Konzentration der Intensitätsverteilung zur Folge hat.

Fig. 2e zeigt eine gemessene Verteilung aufgrund eines Objekts mit eingeschlos­ senen Teilchen oder Unregelmäßigkeiten. Die gemessene Verteilung 16 weist eine sehr hohe Korrelation mit der entsprechenden Referenzverteilung 10 auf, so daß eine zusätzliche Kurvenformanalyse notwendig ist, um die Unregelmäßigkeit an der Position 17 erkennen zu können. Diese Kurvenformanalyse kann beispielsweise auf der ersten Ableitung nach dem Ort der Verteilung 16 basieren, wobei sich im Be­ reich der Position 17 hohe Werte der ersten Ableitung ergeben.

Sind nunmehr die beispielhaft dargestellten Referenzverteilungen 10, 14 und 15 in der Recheneinheit abgespeichert, erfolgt ein Vergleich mit einer tatsächlich gemes­ senen Verteilung vorzugsweise anhand einer Korrelationsanalyse. Der Korrelati­ onswert zweier Verteilungen berechnet sich dabei aus der Multiplikation der Ein­ zelwerte und einer nachfolgenden Integration. Zweckmäßigerweise wird der Korre­ lationswert dabei auf die Eigenkorrelation der jeweiligen Verteilung normiert, so daß sich als maximaler relativer Korrelationswert ein Wert von 100% einstellt. Zur Be­ stimmung der einzelnen Korrelationswerte erfolgt dabei zuerst eine Bestimmung der integralen Lichtintensität der gemessenen Verteilung. Dieses Integral wird mit dem Integral der Referenzverteilung 10 verglichen, um so zunächst eine Aussage über die Lichtabsorption des Objektes zu machen. Bei einer Farbanalyse erfolgt dies getrennt für alle Farben gemäß Fig. 2b. Vor einer Korrelation mit den übrigen Referenzverteilungen 14 und 15 wird dabei die gemessene Verteilung jeweils auf das Maximum der zu korrelierenden Referenzverteilung normiert, um so den Ein­ fluß der Lichtabsorption zu eliminieren. In einem weiteren Schritt erfolgt dann die Korrelation mit den Referenzverteilungen 14 und 15. Anhand der relativen Korrela­ tionswerte wird dann auf eine Streuung bzw. eine Lichtbrechung des jeweiligen Objekts geschlossen.

Fig. 3 zeigt eine Meßvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform mit einem me­ dizinischen Schlauch als Objekt zur Erkennung von Luftblasen. Die punktförmige Lichtquelle gemäß Fig. 1 ist dabei ersetzt durch eine Lichtquelle 30, die annähernd paralleles Licht liefert. Durch den Schlauch wird eine Flüssigkeit geführt, in der Luftblasen 35 leicht erkannt werden können.

Die Auswertung in der Recheneinheit gemäß der Vorrichtung von Fig. 3 ist nicht wie bei der ersten Ausführungsform auf bestimmte Referenzverteilungen angewie­ sen. Da bei entsprechender Geometrie des Objekts eine Lichtbrechung ausge­ schlossen werden kann, erfolgt die Auswertung vorzugsweise aufgrund der ersten Ableitung nach dem Ort der erfaßten Lichtintensitäten. Bei hohen Werten der ersten Ableitung kann auf Unregelmäßigkeiten im Objekt geschlossen werden. Hierdurch können bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 die Luftblasen 35 erkannt werden.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Messung von Parameteränderungen an lichtdurchlässigen Objekten, insbesondere für medizinische Anwendungen, mit:

• a) einer Lichtquelle (1, 30);
• b) einem optischen Zeilensensor (3), der in mindestens einer Ausdeh­ nungsrichtung des Objektes die Intensität des durch das Objekt durch­ tretenden Lichts der Lichtquelle (1, 30) in Abhängigkeit des Ortes erfaßt; und
• c) einer Recheneinheit (4), die die Verteilung der von dem optischen Zei­ lensensor (3) erfaßten Lichtintensitäten in Abhängigkeit des Ortes mit mindestens einer vorgegebenen Referenzverteilung vergleicht;

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Objekt ein medizinisches Behältnis ist, in das ein flüssiges Medium, beispielsweise Blut, geleitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Zeilensensor (3) ein CCD-Sensor ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle eine punktförmige Lichtquelle (1) ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (30) annähernd paralleles Licht liefert.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzverteilung in der Recheneinheit (4) abgespeichert ist, die ohne Be­ einflussung durch ein Objekt zwischen Lichtquelle (1, 30) und optischem Zei­ lensensor (Dummy-Objekt) aufgenommen wurde.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzverteilung in der Recheneinheit (4) abgespeichert ist, die auf­ grund eines Objektes mit bekannter Änderung der Lichtbrechungscharakteri­ stik gegenüber dem Dummy-Objekt aufgenommen wurde.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzverteilung in der Recheneinheit (4) abgespeichert ist, die auf­ grund eines Objektes mit bekannter Änderung der Streuungscharakteristik gegenüber dem Dummy-Objekt aufgenommen wurde.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Färbung des Objektes der optische Zeilensensor (3) ge­ trennte Farbsensoren aufweist, insbesondere für die Farben rot, grün und blau.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenz­ verteilung in der Recheneinheit (4) abgespeichert ist, die aufgrund eines Ob­ jektes mit bekannter Änderung der Farbfiltercharakteristik gegenüber dem Dummy-Objekt aufgenommen wurde.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Referenzverteilung auf einem mathematischen Modell beruht.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das mathemati­ sche Modell auf einer Kurvenformanalyse meßtechnisch ermittelter Werte be­ ruht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurvenfor­ manalyse auf Meßkurven gemäß den Ansprüche 5 bis 9 beruht.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich in der Recheneinheit (4) aufgrund einer Korrelation erfolgt, wobei eine Parameteränderung an dem zu messenden Objekt gegenüber ei­ nem Dummy-Objekt aufgrund der Stärke der Korrelation mit der jeweiligen Referenzverteilung des zugehörigen Parameters bestimmt wird.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die gemessenen Parameteränderungen in Abhängigkeit von der Zeit abgespeichert werden, wobei über die abgespeicherten Werte zusätzlich eine dynamische Änderung der Parameter des flüssigen Mediums erfaßt wird.

15. Vorrichtung zur Messung von Parameteränderungen an lichtdurchlässigen Objekten, insbesondere für medizinische Anwendungen, mit:

• a) einer Lichtquelle (30), die annähernd paralleles Licht liefert;
• b) einem optischen Zeilensensor (3), der in mindestens einer Ausdeh­ nungsrichtung des Objektes die Intensität des durch das Objekt durch­ tretenden Lichts der Lichtquelle (30) in Abhängigkeit des Ortes erfaßt; und
• c) einer Recheneinheit (4), zur Weiterverarbeitung der von dem optischen Zeilensensor (3) erfaßten Lichtintensitäten;

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) das Objekt ein medizinisches Behältnis ist, in das ein flüssiges Medium, beispielsweise Blut, geleitet wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenein­ heit (4) von der Verteilung der von dem optischen Zeilensensor erfaßten Lichtintensitäten die erste Ableitung nach dem Ort bildet.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß Materialeinschlüsse oder sonstige Inhomogenitäten, beispielsweise Luft­ blasen, aufgrund besonders hoher Werte der ersten Ableitung ausgewertet werden.