SE530817C2

SE530817C2 - Device for measuring free gas in human cavities

Info

Publication number: SE530817C2
Application number: SE0500878A
Authority: SE
Inventors: Sune Svanberg; Linda Persson; Katarina Svanberg
Original assignee: Gasporox Ab
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2008-09-16
Also published as: SE0500878L

Description

35 530 817 Den allmänna lösningen enligt uppfinningen är att mäta en gas i en human kavitet. 35 530 817 The general solution according to the invention is to measure a gas in a human cavity.

Enligt en aspekt av uppfinningen ges en utrustning för detta ändamål. Utrustningens tillämpning möjliggör att diagnostisera sjukdomar baserad på mätningarna.According to one aspect of the invention, an equipment is provided for this purpose. The application of the equipment enables the diagnosis of diseases based on the measurements.

Föreliggande uppfinning erbjuder således en fördelaktig utrustning. Utrustningen kan praktiskt integreras i en handhållen version för att icke-invasivt mäta förhållanden inuti människokroppen. Översiktlig beskrivning av figurerna Dessa och andra aspekter, karakteristika och fördelar som uppfinningen åtminstone partiellt innehar blir tydliga och specificerade genom följande beskrivning av utförandeformer av föreliggande uppfinning, där referens görs till de vidlagda figurerna, i vilka Fig. lA är en illustration som visar lokalisationen av pann- och käkbihålorna (sinus frontalis resp. maxillaris), Fig. 1B är en CT-bild av en human pannbihäla i horisontellt snitt och Fig. 1C är en CT-bild av pann-och käkbihàlorna i vertikalt snitt; Fig. 2 är ett schematiskt diagram, som visar det experimentella arrangemanget och en utförandeform av utrustning enligt denna uppfinning; Fig. 3A illustrerar arrangemanget av ett fantom som imiterar fallet med mätningar på pannbihålorna i bakåtspridningsgeometri, Fig. 3B illustrerar arrangemanget av ett fantom som imiterar fallet av mätningar på käkbihàlorna i tranmissionsgedmetri; Fig. 4A visar i ett schematiskt diagram syresignalen som funktion av hålrummets tjocklek för olika dimensioner på den sekundära spridaren men med en fix primärspridare med tjocklek 3 mm mätt i bakåtspridningsgeometri, och Fig. 4B visar i ett schematiskt diagram syresignalen som funktion av hålrummets tjocklek för olika tjocklekar på 10 15 20 25 30 35 530 8ﬁ7 den primära spridaren med en fix tjocklek över 30 mm pá den sekundära spridaren mätt i bakátspridningsgeometri; Fig. 5A visar i ett schematiskt diagram syresignalen som funktion av hälrumets tjocklek för olika dimensioner av den sekundära spridaren med en fix tjocklek av 10 mm för den primära spridaren mätt i transmissionsgeometri, och Fig. 5B visar i ett schematiskt diagram syresignalen som funktion av hàlrumstjockleken för olika dimensioner på den primära spridaren med en fixerad tjocklek av 10 mm pà den sekundära spridaren mätt i transmissionsgeometri; Fig. 6 visar i ett schematiskt diagram ändringen i syresignalen när gasen i fantomets luftgap successivt ändras genom en annan gasblandning som tillföres genom diffusion (lj = 3 mm, Ii > 30 mm, d = 8 m), där mätningarna utfördes i bakàtspridningsgeometri; Fig. 7A illustrerar medelvärdet Laztillsammans med felstaplar motsvarande 1 standardavvikelse från mätningar pà och vid sidan av pannbihàlan pà en frisk frivillig försöksperson, som illustreras i Fig. 7B, och Fig. 7B är en röntgenbild av försökspersonen i Fig. 7A sem visar pannbihàlornas utsträckning.The present invention thus offers an advantageous device. The device can be conveniently integrated into a hand-held version for non-invasively measuring conditions inside the human body. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other aspects, characteristics and advantages of which the invention at least partially possesses will become clear and specific from the following description of embodiments of the present invention, where reference is made to the accompanying drawings, in which Fig. 1A is an illustration showing the location of the frontal and maxillary sinuses (sinus frontalis resp. maxillaris), Fig. 1B is a CT image of a human frontal sinus in horizontal section and Fig. 1C is a CT image of the frontal and maxillary sinuses in vertical section; Fig. 2 is a schematic diagram showing the experimental arrangement and an embodiment of the device according to this invention; Fig. 3A illustrates the arrangement of a phantom imitating the case of measurements on the frontal sinuses in backscatter geometry, Fig. 3B illustrates the arrangement of a phantom imitating the case of measurements on the maxillary sinuses in transmission geometry; Fig. 4A shows in a schematic diagram the oxygen signal as a function of the cavity thickness for different dimensions of the secondary diffuser but with a fixed primary diffuser with a thickness of 3 mm measured in backscatter geometry, and Fig. 4B shows in a schematic diagram the oxygen signal as a function of the cavity thickness for different thicknesses of the primary diffuser with a fixed thickness over 30 mm on the secondary diffuser measured in backscatter geometry; Fig. 5A shows in a schematic diagram the oxygen signal as a function of the cavity thickness for different dimensions of the secondary diffuser with a fixed thickness of 10 mm for the primary diffuser measured in transmission geometry, and Fig. 5B shows in a schematic diagram the oxygen signal as a function of the cavity thickness for different dimensions of the primary diffuser with a fixed thickness of 10 mm on the secondary diffuser measured in transmission geometry; Fig. 6 shows in a schematic diagram the change in the oxygen signal when the gas in the air gap of the phantom is successively changed by another gas mixture supplied by diffusion (lj = 3 mm, Ii > 30 mm, d = 8 m), where the measurements were performed in backscattering geometry; Fig. 7A illustrates the mean value Laz together with error bars corresponding to 1 standard deviation from measurements at and beside the frontal sinus of a healthy volunteer subject, as illustrated in Fig. 7B, and Fig. 7B is an X-ray image of the subject in Fig. 7A showing the extent of the frontal sinuses.

Beskrivning av utföranden Följande beskrivning fokuserar pà ett exempel pà föreliggande uppfinning som är tillämplig på en metod och utrustning anordnad för mätning av fri syrgas i kaviteter i kraniet och specifikt för variationer i dylik syrgas företrädesvis för diagnostiska ändamål. Emellertid blir det uppenbart att uppfinningen inte är begränsad till denna tillämpning utan kan tillämpas pà många andra kroppsháligheter innehållande gas, där det finns intresse av att detektera och/eller mäta koncentrationen av nämnda gas med hjälp av en icke invasiv eller för speciella utföranden, minimalt invasiv metod.Description of Embodiments The following description focuses on an example of the present invention applicable to a method and apparatus arranged for measuring free oxygen in cavities in the cranium and specifically to variations in such oxygen, preferably for diagnostic purposes. However, it will be apparent that the invention is not limited to this application but can be applied to many other body cavities containing gas, where there is interest in detecting and/or measuring the concentration of said gas by means of a non-invasive or, for special embodiments, minimally invasive method.

Ett utförande av utrustningen i föreliggande uppfinning ges med referens till Fig. 2 med en anordning enligt en utförandeform av föreliggande uppfinning. 10 15 20 25 30 35 530 817 Enligt denna utförandeform ges en anordning för att mäta fri syrgas i huvudets hàlrum. Mätmetoden kan tillämpas för diagnostik av en vanlig sjukdom, sinusit. Mätmetoden baseras pà den fria syrgasen. Humana sinushàlrum är normalt luftfyllda och närvaron av denna gas observeras genom váglängdsmodulationsspektroskopi utnyttjande avstämbara diodlasrar.An embodiment of the equipment of the present invention is given with reference to Fig. 2 with a device according to an embodiment of the present invention. 10 15 20 25 30 35 530 817 According to this embodiment, a device is provided for measuring free oxygen in the head cavity. The measurement method can be applied for diagnostics of a common disease, sinusitis. The measurement method is based on the free oxygen. Human sinus cavities are normally air-filled and the presence of this gas is observed by wavelength modulation spectroscopy using tunable diode lasers.

Inflammationer såsom sinusit leder ofta till vätske- och varfyllnad av kaviteterna, varvid gassignalerna ändras.Inflammations such as sinusitis often lead to fluid and pus filling of the cavities, thereby changing the gas signals.

Detta är grunden för föreliggande utförandeform. Nedan demonstreras hur den molekylära syresignalen runt 760 nm observeras genom ansiktets externa vävnader, då ljus bakàtsprids fràn djupare liggande strukturer genom det gasfyllda hàlrummet.This is the basis of the present embodiment. Below it is demonstrated how the molecular oxygen signal around 760 nm is observed through the external tissues of the face, as light is backscattered from deeper structures through the gas-filled cavity.

Enligt alternativa utförandeformer ges en transmissionsgeometri för käkbihälorna utnyttjande fiberbaserad ljusinjektion från munhàlan tillsammans med mätning mot kinden.According to alternative embodiments, a transmission geometry for the maxillary sinuses is provided utilizing fiber-based light injection from the oral cavity together with measurement towards the cheek.

Bihàlans gassignal kan studeras statiskt men även dynamiskt genom att observera närvaron eller frånvaron av gastransport gendm öppna eller slutna näskanaler. I dylika mätningar används gas med en syrehalt avvikande fràn den normala, t.ex. luft utandad från lungorna.The sinus gas signal can be studied statically but also dynamically by observing the presence or absence of gas transport through open or closed nasal passages. In such measurements, gas with an oxygen content deviating from normal, e.g. air exhaled from the lungs, is used.

Mänsklig vävnad uppvisar förhållandevis låg absorption i området 600 -1400 nm (vävnadens optiska fönster), där emellertid spridning är mycket dominant.Human tissue exhibits relatively low absorption in the range 600 -1400 nm (the tissue optical window), where, however, scattering is very dominant.

Optisk genomlysning i detta váglängdsintervall undersökas nu för optisk mammografi. Tekniken, som presenteras i föreliggande skrift utnyttjar erfarenhet fràn gas in scattering absorption spectroscopy (GASMAS), där emellertid gas fördelad i det spridande mediet studeras. Sådan fördelad gas ger upphov till mycket skarpa (0,0l nm) absorptionsavtryck i kontrast till de breda strukturerna frán molekylerna i vätskor och fasta kroppar. Enligt föreliggande utförandeform passerar ljuset genom en makroskopisk gashàlighet medierat genom diffust spridande 10 15 20 25 30 35 530 817 "speglar", där hàlrummets status bedöms från ett mäthuvud som pressas mot ansiktets vävnad.Optical transmission in this wavelength range is now being investigated for optical mammography. The technique presented in the present paper utilizes experience from gas in scattering absorption spectroscopy (GASMAS), where however gas distributed in the scattering medium is studied. Such distributed gas gives rise to very sharp (0.01 nm) absorption signatures in contrast to the broad structures of molecules in liquids and solids. According to the present embodiment, the light passes through a macroscopic gas cavity mediated by diffusely scattering 10 15 20 25 30 35 530 817 "mirrors", where the status of the cavity is assessed from a measuring head pressed against the facial tissue.

Medicinsk bakgrund och plan för utförandet Bakgrund avseende ansiktets anatoi Ansiktsskelettet i nasopharynxregionen uppvisar många hålrum, också benämnda sinuskaviteter, såsom illustreras i Pig. l. Pannbihàlan består oftast av ett ensamt hålrum men kan ibland ha olika avdelningar. Käkbihålorna och de sfenoidala hålrummen är bilaterala. Etmoidalcellerna är också bilaterala och består av en mångfald av små hàlrum med förbindelse. Pannbihålan finns i pannbenet av skallens pannben just ovanför ögonloberna. Käkbihålorna är lokaliserade pà var sida i käkbenet just under ögonhálans nedre golv. Etmoidalcellerna och spenoidalhàlrummet, som inte visas i Fig. 1, är lokaliserade i den mittre och bakre delen av näsan. Alla hålrummen är förenade med näshálrummet för dränage, åtminstone vad gäller friska personer.Medical Background and Plan of Execution Background Regarding Facial Anatomy The facial skeleton in the nasopharyngeal region presents many cavities, also called sinus cavities, as illustrated in Fig. 1. The frontal sinus usually consists of a single cavity but may sometimes have different compartments. The maxillary sinuses and the sphenoidal cavities are bilateral. The ethmoidal cells are also bilateral and consist of a multitude of small communicating cavities. The frontal sinus is located in the frontal bone of the skull just above the eyeballs. The maxillary sinuses are located on either side of the maxillary bone just below the lower floor of the eye socket. The ethmoidal cells and the sphenoidal cavity, which are not shown in Fig. 1, are located in the middle and posterior part of the nose. All of the cavities are connected to the nasal cavity for drainage, at least in healthy individuals.

Bihåleinflammation och dess diagnostik Inflammation i näsans bihàlor är oftast relaterad till virusinfektioner eller till allergiska reaktioner.Sinusitis and its diagnostics Inflammation of the sinuses of the nose is most often related to viral infections or allergic reactions.

Detta orsakar oftast en svullnad av slemhinnan resulterande i en slutning av dränagepassagen. I dessa slutna hålrum kommer bakterier att växa och orsaka kliniska manifestationer benämnda sinusit. Diagnosen av sinusit baseras på det kliniska sjukdomsförloppet hos patienten tillsammans med kliniska undersökningar av patienten, såsom palpation av kåken och visuell inspektion avseende varigt flöde i näshàlan utnyttjande ett spekulum. Parakliniska undersökningar inkluderar hâlrumsröntgen, ultraljud och lågdos datortomografi. Bland dessa metoder används ultraljud och hàlrumsröntgen sällan nu för tiden. Att bedöma hålrumsstatus är ibland inte enkelt, och ett enkelt verktyg för ytterligare diagnostik skulle vara välkommet.This usually causes swelling of the mucosa resulting in a closure of the drainage passage. In these closed cavities, bacteria will grow and cause clinical manifestations called sinusitis. The diagnosis of sinusitis is based on the clinical course of the patient together with clinical examinations of the patient, such as palpation of the sinuses and visual inspection for purulent discharge in the nasal cavity using a speculum. Paraclinical examinations include cavity X-ray, ultrasound and low-dose computed tomography. Among these methods, ultrasound and cavity X-ray are rarely used nowadays. Assessing the cavity status is sometimes not easy, and a simple tool for further diagnostics would be welcome.

Ett kraftfullt diagnostiskt verktyg skulle kunna leda till en reduktion av onödig antibiotikabehandling. 10 15 20 25 30 35 5313 Bl? Enligt föreliggande utförande presenteras en optisk teknik baserad på laserspektroskopi för att undersöka hálrummens tillstànd. Läget för såväl pann- som käkbihàlorna är väl lämpat för optiska undersökningar från ansiktets yttre delar. Pannbihàlan är separerad av en ungefär 10 mm tjock struktur av ben och vävnad, och hàlrummet har en tjocklek av typiskt 10 mm. Käkbihàlorna är lokaliserade bakom ungefär samma tjocklek av ben- och muskelvävnad. Kaviteterna uppvisar i tvärsnitt en större luftdistans pà ca. 3 cm. Såsom diskuteras nedan kan detta användas för mätningar i transmission; mera precist kan etmoidalcellerna såväl som sfenoidalhàlrummet nas fràn näskavíteten för ljusinjektion såväl som för detektion. Den tidigare ansamlingen av celler kan bli infekterad, etmoidit, särskilt hos barn vilket anses vara ett särskilt allvarligt tillstànd med tanke pà närheten till ögonhálorna.A powerful diagnostic tool could lead to a reduction in unnecessary antibiotic treatment. 10 15 20 25 30 35 5313 Bl? According to the present embodiment, an optical technique based on laser spectroscopy is presented to examine the condition of the cavities. The location of both the frontal and maxillary sinuses is well suited for optical examinations from the outer parts of the face. The frontal sinus is separated by an approximately 10 mm thick structure of bone and tissue, and the cavity has a thickness of typically 10 mm. The maxillary sinuses are located behind approximately the same thickness of bone and muscle tissue. The cavities exhibit in cross section a larger air distance of approximately 3 cm. As discussed below, this can be used for measurements in transmission; more precisely, the ethmoidal cells as well as the sphenoidal cavity can be accessed from the nasal cavity for light injection as well as for detection. The previous accumulation of cells can become infected, ethmoiditis, especially in children, which is considered a particularly serious condition given the proximity to the eye sockets.

Experiment Det nuvarande stödjande experimentet, som är relaterat till sinusitdiagnostik baserat pà gasspektroskopi, utfördes i tvà steg. Först undersöktes ett modellsystem bestående av två med luft separerade spridare i plast, i bakátspridning och i transmission, där ett antal parametrar varierades.Experiment The current supporting experiment, which is related to sinusitis diagnostics based on gas spectroscopy, was performed in two steps. First, a model system consisting of two air-separated plastic diffusers was investigated, in backscatter and in transmission, where a number of parameters were varied.

För det andra utfördes in-vivo-experiment pà sinuskaviteterna pà en frivillig försöksperson för att verifiera in+vitro-resultaten. Detta beskrivs nedan.Secondly, in vivo experiments were performed on the sinus cavities of a volunteer subject to verify the in vitro results. This is described below.

Experimentuppställning Ett utförandeexempel på en anordning 110 i enlighet med uppfinningen ges i Fig. 2. Ett schematiskt diagram av gasdetektionsuppställningen visas vid 100. En enkelmods diodlaser i nära-IR-omrâdet, nämligen en Sharp LT031M®0 med en nominell uteffekt av 7 mw, användes som spektroskopisk ljuskälla. Genom att anbringa en ramp med repetitionsfrekvensen 4 Hz till drivströmmen sä avstämdes diodlasern l över R7R7 linjen i molekylärt syre, vilken 10 15 20 25 30 35 530 817 finns vid 761,003 nm (vaccuumvåglängd). Som kan ses i vänstra delen av Fig. 2, överlagrades en 9 kHz sinusvàg på strömrampen för att producera en vàglängdsmodulation av ljuset, möjliggörande känslig våglängdsmodulations- spektroskopi (WMS).Experimental setup An exemplary embodiment of a device 110 according to the invention is given in Fig. 2. A schematic diagram of the gas detection setup is shown at 100. A single-mode diode laser in the near-IR range, namely a Sharp LT031M®0 with a nominal output power of 7 mW, was used as the spectroscopic light source. By applying a ramp with a repetition rate of 4 Hz to the drive current, the diode laser 1 was tuned over the R7R7 line of molecular oxygen, which is located at 761.003 nm (vacuum wavelength). As can be seen in the left part of Fig. 2, a 9 kHz sine wave was superimposed on the current ramp to produce a wavelength modulation of the light, enabling sensitive wavelength modulation spectroscopy (WMS).

En optisk fiber 2 med en kärndíameter på 600 pm användes för att leda ljuset till provet. För bakåtspridningsmätningar användes ett litet 90~graders prisma 3 positionerat framför den distala änden av fibern 2 och lokaliserat centralt vid detektorn 4 för att ge total intern reflektion för att kasta ljuset in i provet 5, som effektivt exponerades för ungefär 2 mw. En ringformad bländare med en inre och en yttre diameter på 10 resp. 21 m användes för att samla de bakätspridda fotonerna från provet 5. I transmissionsgedmetri (ej visad i Fig. 2) positionerades fibern över provet 5 och en cirkulär bländare med en diameter på 5 m användes framför detektorn (såsom visas i Fig. 3B). För att uppnå effektiv fotonuppsamling med stort dynamiskt område detekterades ljuset med. en fotomultiplikator 6, Hamamatsu 5070A, som skyddades från synligt ljus med ett blockerande färgfilter 7, här ett Schott RG715.An optical fiber 2 with a core diameter of 600 pm was used to guide the light to the sample. For backscatter measurements, a small 90-degree prism 3 positioned in front of the distal end of the fiber 2 and centrally located at the detector 4 was used to provide total internal reflection to throw the light into the sample 5, which was effectively exposed to approximately 2 mw. An annular aperture with an inner and outer diameter of 10 and 21 m, respectively, was used to collect the backscattered photons from the sample 5. In transmission geometry (not shown in Fig. 2), the fiber was positioned over the sample 5 and a circular aperture with a diameter of 5 m was used in front of the detector (as shown in Fig. 3B). To achieve efficient photon collection with a large dynamic range, the light was detected with. a photomultiplier 6, Hamamatsu 5070A, which was protected from visible light with a blocking color filter 7, here a Schott RG715.

Absorptionssignalen detekterades genom att dela upp signalen från fotomultiplikatorn i två delar. En del, refererad till såsom direktsignalen, sändes direkt till ett datorkontrollerat digitalt oscilloskop 8. Den andra delen, refererad till som WMS-signalen, sändes till en lock- in-förstärkare 9, här en EG&G Princeton Applied Research 5209, som gav faskänslig detektion vid dubbla modulations frekvensen innan överföring till en annan kanal på oscilloskopet 8, såsom illustreras i Fíg. 2.The absorption signal was detected by splitting the signal from the photomultiplier into two parts. One part, referred to as the direct signal, was sent directly to a computer-controlled digital oscilloscope 8. The other part, referred to as the WMS signal, was sent to a lock-in amplifier 9, here an EG&G Princeton Applied Research 5209, which provided phase-sensitive detection at twice the modulation frequency before being transferred to another channel of the oscilloscope 8, as illustrated in Fig. 2.

Vàglängdsmodulationsspektroskopi med lock-in-detektion benämns ofta deriveringsspektroskopi, eftersom signalen ser ut som derivatan av absorptionsprofilen. I detta fall, när detektion görs på dubbla modulationsfrekvensen, ser lock-in-signalen ut som andraderivatan av absorptionsprofilen. io 15 20 25 30 35 530 817 Amplituden pá WMS-signalen bestämmes av den smala gasabsorptionssignalens absolutstorlek, dvs. av bràkdelen absorption pga gasen, och mängden ljus som när detektorn.Wavelength modulation spectroscopy with lock-in detection is often called derivative spectroscopy, because the signal looks like the derivative of the absorption profile. In this case, when detection is done at twice the modulation frequency, the lock-in signal looks like the second derivative of the absorption profile. io 15 20 25 30 35 530 817 The amplitude of the WMS signal is determined by the absolute magnitude of the narrow gas absorption signal, i.e. by the fractional absorption due to the gas, and the amount of light reaching the detector.

Genom att mäta topp-till-toppvärdet hos absorptionssignaturen i WMS-signalen och normera den med avseende pà mängden ljus som när detektorn (direktsignalen), uppskattar vi absorptionen för gasen av intresse. För små absorptioner är WMS-signalen proportionell mot absorbansen och således mot produkten av gaskoncentrationen och den väglängd, som ljuset har tillryggälagt.By measuring the peak-to-peak value of the absorption signature in the WMS signal and normalizing it with respect to the amount of light reaching the detector (the direct signal), we estimate the absorption of the gas of interest. For small absorptions, the WMS signal is proportional to the absorbance and thus to the product of the gas concentration and the path length traveled by the light.

En metod, som kallas standardadditionsmetoden, användes för att kalibrera en mätt normerad WMS-signal och omvandla den till en användbar storlek. Genom att lägga till kända vägsträckor av omgivningsluft att tillryggaläggas av laserljuset i tillägg till det spridande objektet, och genom att avsätta de uppmätta normerade WMS-värdena mot adderad luft, kan ett ekvivalent luftavstánd uppskattas. Datapunkterna i ett sådant diagram förväntas falla pä en rät linje. Korsningen mot nollinjen ger det ekvivalenta distansen av omgivningsluft Laïsom ger upphov till en signal av samma storlek som signalen frán provet.A method, called the standard addition method, is used to calibrate a measured normalized WMS signal and convert it to a usable magnitude. By adding known distances of ambient air to be traveled by the laser light in addition to the scattering object, and by plotting the measured normalized WMS values against the added air, an equivalent air distance can be estimated. The data points in such a plot are expected to fall on a straight line. The intersection with the zero line gives the equivalent distance of ambient air Laï, which gives rise to a signal of the same magnitude as the signal from the sample.

Mätningar mätningar på modellsystemet Vára humana fantornmätningar utfördes pà systemet som visas i Fig. 3. Lasefljus injiceras in i den primära spridaren S1 med tjockleken 11 som är separerad med distansen l frän den sekundära spridaren S2 med tjockleken 12. Spridarna är gjorda av Delrin?-plast, som har en spridningskoefficient som liknar den för mänsklig vävnad.Measurements Measurements on the Model System Our human phantom measurements were performed on the system shown in Fig. 3. Laser light is injected into the primary scatterer S1 with thickness 11 which is separated by distance l from the secondary scatterer S2 with thickness 12. The scatterers are made of Delrin™ plastic, which has a scattering coefficient similar to that of human tissue.

Liksom för fallet mänsklig vävnad är dess absorptíons- koefficient vid den använda våglängden, 760 nm, försumbar jämför med dess spridningskoefficient.As in the case of human tissue, its absorption coefficient at the wavelength used, 760 nm, is negligible compared to its scattering coefficient.

I Fig. 3A illustreras en bakátspridningsgeometri , där fotoner som injiceras in i S1 multipelsprids internt. 10 15 20 25 30 35 530 817 Några fotoner undslipper in i luftgapet som separerar luftspridarna och korsar det längs räta linjer innan de penetrerar in i S2. Här sker multipelspridning och nägra fotoner korsar luftgapet igen för att igen spridas i S1. En liten bråkdel av de fotoner som injicerades in i S1 kommer slutligt att passera denna spridare igen efter att ha passerat luftgapet två gånger innan fotomultiplikatorns detektion. Sådana fotoner har färdats genom en luftdistans som är längre än 2d. För en vägsträcka 2d = 20 mm, förväntas en absorptionsandel pà 4 x 10* pga syres R7R7-linje för luft av normal sammansättning. Största delen av ljuset som när fotomultiplikatorn bakátsprids endast från S1 och komer således inte att ha ett absorptionsavtryck av gasen. Därför kommer den relativa absorptionssignalen att spädas ut. Bidrag till gassignalen frän multipla passager genom luftgapet kommer att vara försumbara. Oönskade bidrag från fotoner som är spridda i S1 kan helt klart endast reduceras kraftigt genom att välja en tillräckligt stor central stràlblockering framför fotomultiplikatorns katod. Detta är i överensstämmelse med den normala observationen att genom att öka distansen mellan källa och detektor djupare volymer i det spridande mediet avkännes.Fig. 3A illustrates a backscattering geometry, where photons injected into S1 are internally multiple-scattered. 10 15 20 25 30 35 530 817 Some photons escape into the air gap separating the air scatterers and cross it along straight lines before penetrating into S2. Here multiple scattering occurs and some photons cross the air gap again to be again scattered in S1. A small fraction of the photons injected into S1 will eventually pass through this scatterer again after having passed the air gap twice before being detected by the photomultiplier. Such photons have traveled an air distance longer than 2d. For a path length 2d = 20 mm, an absorption fraction of 4 x 10* due to the oxygen R7R7 line is expected for air of normal composition. Most of the light entering the photomultiplier is backscattered only from S1 and will thus not have an absorption imprint by the gas. Therefore, the relative absorption signal will be diluted. Contributions to the gas signal from multiple passages through the air gap will be negligible. Unwanted contributions from photons scattered in S1 can clearly only be greatly reduced by choosing a sufficiently large central beamblock in front of the photomultiplier cathode. This is in agreement with the normal observation that by increasing the distance between source and detector deeper volumes in the scattering medium are sensed.

Mätningar i transmissionsgeometri illustreras i Fig. 3B. Den viktigaste skillnaden mot bakätspridningsfallet är att alla fotoner som när detektorn nu mäste ha korsat luftgapet. Emellertid komer nu den dominerande signalen från en enda passage av luftgapet.Measurements in transmission geometry are illustrated in Fig. 3B. The most important difference compared to the backscatter case is that all photons reaching the detector must now have crossed the air gap. However, the dominant signal now comes from a single passage of the air gap.

För att studera inflytandet av den primära och sekundära spridaren i bakàtspridningsgeometri och pä detta sätt simulera mätningar pá pannbihàlorna utfördes en första serie av mätningar där syresignalen mättes för ett fixt värde pä ll, medan d och 12 varierades, se Fig. 4A. I en andra serie av mätningar utfördes samma procedurer, denna gäng med ett fixt värde pà 12, medan 11 varierades; se Fig. 4B. Från Fig. 4A ser vi att den totala syresignalen ökar med ökande tjocklek av den sekundära spridaren. Emellertid 10 15 20 25 30 35 53Ü 817 10 faller denna ökning snabbt och slutar till sist efter en särskild tjocklek omkring 30 mm utöver vilken den sekundära spridaren kan anses som en oändligt tjock spridare. Detta fall svarar mot kliniska mätningar, där ben och hjärna utgör den massiva sekundära spridaren, och större variationer pga av egenskaperna hos denna spridare förväntas ej. Som kan ses i Fig. 4B kommer den primära spridaren emellertid att påverka mätningarna i mycket större utsträckning, eftersom olika människor har olika djup in till hälrummen. Signalen börjar minska för luftavstànd över ett särskilt tröskelvärde eftersom fotoner frán S2 har större sannolikhet att spridas utanför detektorns ändliga storlek. Enligt samma logik är signalnivàerna lägre för en tjockare primär spridare.To study the influence of the primary and secondary diffuser in the backscatter geometry and in this way simulate measurements on the frontal sinuses, a first series of measurements was performed where the oxygen signal was measured for a fixed value of 11, while d and 12 were varied, see Fig. 4A. In a second series of measurements, the same procedures were performed, this time with a fixed value of 12, while 11 was varied; see Fig. 4B. From Fig. 4A we see that the total oxygen signal increases with increasing thickness of the secondary diffuser. However, this increase falls off rapidly and finally stops after a particular thickness of about 30 mm beyond which the secondary diffuser can be considered as an infinitely thick diffuser. This case corresponds to clinical measurements, where bone and brain constitute the massive secondary scatterer, and major variations due to the properties of this scatterer are not expected. However, as can be seen in Fig. 4B, the primary scatterer will affect the measurements to a much greater extent, since different people have different depths into the inguinal spaces. The signal starts to decrease for air distances above a certain threshold value because photons from S2 have a higher probability of scattering outside the finite size of the detector. By the same logic, the signal levels are lower for a thicker primary scatterer.

Eftersom maximal syresignal uppträder för luftdistanser av storleksordningen 5-10 mm är denna effekt ej en begränsning vid mätningar pà människors pannbihàlor. Emellertid kan för de tjockare käkbihàlorna förekomsten av samma signal för två olika váglängder orsaka problem.Since the maximum oxygen signal occurs for air distances of the order of 5-10 mm, this effect is not a limitation when measuring human frontal sinuses. However, for the thicker maxillary sinuses, the presence of the same signal for two different wavelengths can cause problems.

Transmissionsalternativet svarande mot det fallet gav de data som visas i Fig. 5.The transmission alternative corresponding to that case produced the data shown in Fig. 5.

I denna geometri har inte den primära spridaren samma inflytande pà syresignalen. Syresignalen ökar med luftdistansen eftersom alla insamlade fotoner mäste ha färdats genom luftdistansen. För mycket stora avstånd, som dock ej är relevanta för denna applikation, är Ing lika med den verkliga luftdistansen, men för små luftdistanser kommer syresignalen vara större pga av tillskott pga längre sneda vägsträckor, se Fig. 5A. Inflytandet av tjockleken för den sekundära spridaren är försumbar, se Fig. 5B.In this geometry, the primary scatterer does not have the same influence on the oxygen signal. The oxygen signal increases with the air distance because all collected photons must have traveled through the air distance. For very large distances, which are not relevant for this application, Ing is not equal to the actual air distance, but for small air distances the oxygen signal will be larger due to the addition of longer oblique paths, see Fig. 5A. The influence of the thickness of the secondary scatterer is negligible, see Fig. 5B.

För att simulera gastransport mellan ett hàlrum och näshälan ersattes luftgapet med en liten luftfylld plastpåse som fyllde gapet. Detta experiment kan göras både i bakàtspridning- och transmissionsgeometri pà käkbihálorna och i bakätspridningsgeometri pà pannbihälorna. I samtliga fall förväntas syresignalen att minska för den valda 10 15 20 25 30 35 530 81? ll geometrin. Pàsen förbands med en större kvävefylld pàse via en ventil och ett plaströr i vilket bomull införts för att reducera passagen. Fig. 6 visar ändringen i syresignalen när syreinnehállet i gapet reduceras genom diffusion mätt i bakåtspridníngsgeometri med 11 = 3 mm och 12 = 10 mm. Mera speciellt förväntas ingen ändring av signalen när passagen är blockerad såsom även visas i figuren.To simulate gas transport between a cavity and the nasal septum, the air gap was replaced by a small air-filled plastic bag that filled the gap. This experiment can be done both in backscatter and transmission geometry on the maxillary sinuses and in backscatter geometry on the frontal sinuses. In all cases, the oxygen signal is expected to decrease for the chosen geometry. The bag was connected to a larger nitrogen-filled bag via a valve and a plastic tube into which cotton was inserted to reduce the passage. Fig. 6 shows the change in the oxygen signal when the oxygen content in the gap is reduced by diffusion measured in backscatter geometry with 11 = 3 mm and 12 = 10 mm. More specifically, no change in the signal is expected when the passage is blocked as also shown in the figure.

Humanförsök För att undersöka tillämpligheten av anordningen för verklig humandiagnostik registrerades signaler med mâthuvudet mot pannan pá en frivillig försöksperson. Data frän mätningarna pá pannbihàlan och pà en närliggande referenslokalisation (kompakt vävnad) ges i Fig. 7.Human trials To investigate the applicability of the device for real human diagnostics, signals were recorded with the measuring head against the forehead of a volunteer subject. Data from the measurements on the frontal sinus and on a nearby reference location (compact tissue) are given in Fig. 7.

Medelvärdet av Leg för pannbihälorna varierar avsevärt vilket är förväntat, eftersom pannbihàlan inte är ett hàlrum med bestämd tjocklek, medan mätningarna utanför pannbihàlorna resulterar i en mycket stabil nollsignal , se Fig. 7A. I överensstämmelse med detta observerades även att en stabil nollnivà erhölls för en mänsklig underarm. Dessa resultat indikerar möjligheten av mätningar i realtid av gasinnehállet över pannbihàlorna, resulterande i en syrgasbild med lág upplösning. Helt klart skulle ett rejält förbättrat signal-till-brus-förhållande erfordras, vilket kan förväntas i en optimerad försöksuppställning.The mean value of Leg for the frontal sinuses varies considerably, which is expected, since the frontal sinus is not a cavity with a fixed thickness, while measurements outside the frontal sinuses result in a very stable zero signal, see Fig. 7A. In agreement with this, it was also observed that a stable zero level was obtained for a human forearm. These results indicate the possibility of real-time measurements of the gas content over the frontal sinuses, resulting in a low-resolution oxygen image. Clearly, a significantly improved signal-to-noise ratio would be required, which can be expected in an optimized experimental setup.

Mätningarna som presenteras för fantomet och den frivilliga försökspersonen visar att närvaro av gas i normala sinushàlrum kan registreras med den ovan beskrivna försöksuppställningen, liksom gasutbyte genom de förbindande passagerna. Resultaten ger skäl att tro att anomalier pga bihàleinfektioner, där luft ersätts av vätska, och en stängd passage föreligger, kan detekteras och att en ny metod för icke invasiv diagnostik i realtid kan utvecklas. För de dynamiska gasmätningarna skulle skillnaden i syrgasinnehàll mellan inandad och utandad luft, 21 resp. 16%, kunna utnyttjas genom att använda en anpassad andningsteknik. Pá detta sätt erbjuder anordningen ett sätt att monitorera andning. Mera precist uppvisar 10 15 20 25 30 35 539 817 12 ändringen i inandad och utandad luft i hålrummen såsom den mäts utanför kroppen, typiska mönster för friska personer, nämligen att syrgasinnehàllet minskar från ungefär 21 till 16% under utandning och stiger tillbaka till 21% när omgivningsluft inandas och sprider sig genom hälrumen.The measurements presented for the phantom and the volunteer test subject show that the presence of gas in normal sinus cavities can be recorded with the above-described experimental setup, as well as gas exchange through the connecting passages. The results give reason to believe that anomalies due to sinus infections, where air is replaced by fluid, and a closed passage is present, can be detected and that a new method for non-invasive real-time diagnostics can be developed. For the dynamic gas measurements, the difference in oxygen content between inhaled and exhaled air, 21 and 16% respectively, could be exploited by using an adapted breathing technique. In this way, the device offers a way to monitor breathing. More precisely, the change in inhaled and exhaled air in the cavities as measured outside the body exhibits typical patterns for healthy individuals, namely that the oxygen content decreases from approximately 21 to 16% during exhalation and rises back to 21% when ambient air is inhaled and diffuses through the cavities.

Ett kompakt handhàllet instrument med avsevärd diagnostisk förmåga erhålles i ett utförande av uppfinningen där komponenter med lämpligt små dimensioner på ovan beskrivna utrustning används.A compact hand-held instrument with considerable diagnostic capability is obtained in an embodiment of the invention where components with suitably small dimensions of the above-described equipment are used.

Andra utförandeexempel kan inkludera mätningar av andra fysiologiska gaser, såsom koldioxid eller metan med övertonsabsorptionsband i det optiska fönstret för vävnad.Other embodiments may include measurements of other physiological gases, such as carbon dioxide or methane with harmonic absorption bands in the tissue optical window.

Speciellt är mätningar av koncentrationsförhållanden oberoende av spridningsegenskaperna och kan ge värdefull diagnostisk information för igensatta bihålor. Dynamiska mätningar kan också vara fördelaktiga pga den högre kontrasten som erhålles genom att använda koldioxid, för vilken koncentrationen ökar från nära 0% i inandningsluft till nära 5% i utandad luft. Alternativt skulle luft med högt heliuminnehåll, eller med kväveinnehàll användas i de dynamiska mätningarna. Helium användes nu i lungspirometri och för magnetisk resonansavbildning utnyttjande hyperpolariserade kärnor.In particular, measurements of concentration ratios are independent of scattering properties and can provide valuable diagnostic information for sinus congestion. Dynamic measurements can also be advantageous due to the higher contrast obtained by using carbon dioxide, for which the concentration increases from near 0% in inspired air to near 5% in exhaled air. Alternatively, air with a high helium content, or with a nitrogen content, could be used in the dynamic measurements. Helium is now used in pulmonary spirometry and for magnetic resonance imaging using hyperpolarized nuclei.

Mätningarna skulle också kunna inkludera kväveoxid (NO) i kroppens hälrum. Kväveoxidinnehàllet stiger ofta under infektioner och en ökad nivå NO skulle kunna detekteras med nu aktuell uppfinning som skulle kunna fastställa en "infektionsnivà", t.ex. i bihålorna.The measurements could also include nitric oxide (NO) in the body's alveoli. Nitric oxide levels often rise during infections and an increased level of NO could be detected with the present invention which could determine an "infection level", e.g. in the sinuses.

Ljus för absorptionsspektroskopi i spridande media kan introduceras in i kroppen med hjälp av en ljusledare, t.ex. en fiberoptisk kateter eller ett endoskop. På detta sätt skulle djupare liggande kroppsregioner kunna analyseras med avseende på gasinnehállande hålrum. Ett endoskop skulle t.ex. kunna föras in i munhålan, luftstrupen, matstrupen, och analkanalen etc. Ljus leds således in i djupare regioner i kroppen. Det spridda ljuset leds ut från kroppen på sama sätt till en lämpligt 10 15 20 25 30 35 530 817 13 placerad detektor för att ge en mätutrustning sàsom beskrivs ovan. Det är emellertid förutsett att det huvudsakliga fältet för tillämpning av uppfinningen kommer att bli genom att mäta gaskaviteter inuti kroppen från kroppens utsida, t.ex. genom att placera ett mäthuvud direkt mot personens hud. Av hygieniska skäl kan utrustningen utrustas med engångsskydd av plast, som skulle kunna vara steril före användning, och varierat beroende på patientens tillstånd och tillämpningsområde.Light for absorption spectroscopy in scattering media can be introduced into the body by means of a light guide, e.g. a fiber optic catheter or an endoscope. In this way, deeper body regions could be analyzed for gas-containing cavities. An endoscope could e.g. be introduced into the oral cavity, trachea, esophagus, and anal canal, etc. Light is thus guided into deeper regions of the body. The scattered light is guided out of the body in the same way to a suitably 10 15 20 25 30 35 530 817 13 placed detector to provide a measuring device as described above. However, it is anticipated that the main field of application of the invention will be by measuring gas cavities inside the body from the outside of the body, e.g. by placing a measuring head directly against the person's skin. For hygienic reasons, the equipment can be equipped with disposable plastic covers, which could be sterile before use, and varied depending on the patient's condition and area of application.

Tillämpningar och användningar av ovan beskrivna utrustning, såsom den beskrivs i uppfinningen, är olikartade och inkluderar för exemplifiering fält såsom ytterligare diagnostikuppgifter inom medicinen. T.ex. är lungorna normalt omgärdade av en luftinneslutning i lungsäcken, vilken kan bli ersatt av pleuravätska i samband med olika sjukdomar. Detta tillstànd identifieras hittills genom perkussion av bröstkorgsväggen, varvid diagnostik ibland inte är pålitlig pga mänskliga faktorer, t.ex. när den utföres av mindre tränad medicinsk personal. En mycket mer exakt diagnostik erhålles genom tillämpningen av nu aktuell uppfinning, t.ex. i bakàtspridningsgeometri, där områden som innehåller luft kan särskiljas från dem som är fyllda med pleuravätska. Med nu aktuell uppfinning är det uppnåbart att mäta genom bröstkorgen för att nå lungsäcken för de nu beskrivna mätningarna.Applications and uses of the above-described equipment, as described in the invention, are diverse and include, for example, fields such as additional diagnostic tasks in medicine. For example, the lungs are normally surrounded by an air pocket in the pleura, which can be replaced by pleural fluid in connection with various diseases. This condition is so far identified by percussion of the chest wall, whereby diagnostics are sometimes unreliable due to human factors, e.g. when performed by less trained medical personnel. A much more accurate diagnosis is obtained by the application of the present invention, e.g. in backscatter geometry, where areas containing air can be distinguished from those filled with pleural fluid. With the present invention, it is achievable to measure through the chest to reach the pleura for the measurements now described.

Ett ytterligare exempel är mätningar genom trumhinnan för att mäta gasinnehållet i mellanörat för att ge diagnostik av t.ex. öroninflamation, otit.A further example is measurements through the eardrum to measure the gas content in the middle ear to provide diagnostics of, for example, ear inflammation, otitis.

Ytterligare ett exempel är mätningar av gaser i gastro-intestinalkanalen hos patienter. Både förekomsten och sammansättningen av gas skulle kunna detekteras med nu aktuell utrustning för att möjliggöra detektion av vissa bakterier eller bakteriella infektioner genom att identifiera den relaterade gasen, t.ex. alstrad av den bakteriella infektionen i kroppen. Här är helicobacter pylori ett exempel, där detekterbar gas detekteras i magen. 10 15 20 25 30 35 5301 B17 14 Detta kan vara ett alternativ till utandningstester, där magsársbehandling baseras pä helicobacter pylori-detektion.Another example is the measurement of gases in the gastro-intestinal tract of patients. Both the presence and composition of gas could be detected with current equipment to enable the detection of certain bacteria or bacterial infections by identifying the related gas, e.g. produced by the bacterial infection in the body. Here, Helicobacter pylori is an example, where detectable gas is detected in the stomach. 10 15 20 25 30 35 5301 B17 14 This could be an alternative to breath tests, where peptic ulcer treatment is based on Helicobacter pylori detection.

Helt allmänt vill vi pàpeka att anordningen för att mäta gas i humana hàlrum är väl lämpad för diagnostik pá barn och speciellt väl pá för tidigt födda barn. Detta beror pà det faktum att kroppen är mindre än för vuxna personer och sàledes penetrerar ljuset för gasmätningar genom spridning djupare in i kroppen, relativt sett.In general, we would like to point out that the device for measuring gas in human cavities is well suited for diagnostics in children and especially in premature babies. This is due to the fact that the body is smaller than in adults and thus the light for gas measurements penetrates deeper into the body, relatively speaking, by scattering.

Uppfinningen kan utföras i varje lämplig form inkluderande hårdvara, mjukvara eller varje kombination av dessa. Enheterna och komponenterna i ett utförande av uppfinningen kan fysiskt, funktionellt och logiskt utformas pà många lämpliga sätt. I själva verket kan funktionen implementeras i en enda enhet, i flera enheter eller som del av andra funktionella enheter. Som sådan skulle uppfinningen kunna implementeras i en enda enhet eller vara fysiskt eller funktionellt fördelad mellan olika enheter och databehandlare.The invention may be embodied in any suitable form including hardware, software or any combination thereof. The units and components of an embodiment of the invention may be physically, functionally and logically designed in many suitable ways. In fact, the function may be implemented in a single unit, in multiple units or as part of other functional units. As such, the invention could be implemented in a single unit or be physically or functionally distributed among different units and processors.

Fastän föreliggande uppfinning har beskrivits ovan med referens till specifika utförandeexempel är den ej avsedd att vara begränsad till en speciell form som getts ovan. Snarare är uppfinningen begränsad bara av vidlagda patentkrav, och andra utförandeexempel än de specifikt nämnda ovan är lika möjliga inom ramen för de bifogade patentkraven, t.ex. andra gaser för mätning, andra våglängder, ljuskällor, ljusledare, detektorer, än de som nämns ovan.Although the present invention has been described above with reference to specific embodiments, it is not intended to be limited to a particular form given above. Rather, the invention is limited only by the appended claims, and other embodiments than those specifically mentioned above are equally possible within the scope of the appended claims, e.g. other gases for measurement, other wavelengths, light sources, light guides, detectors, than those mentioned above.

I patentkraven utesluter ej termen "innefattande" närvaron av andra element eller steg. Vidare, fastän individuellt uppräknade, så kan ett antal anordningar , element eller metodsteg utföras av en enstaka enhet eller databehandlingsutrustning_ Därtill tillkomer, att fastän individuella aspekter kan inkluderas i olika patentkrav sä kan dessa möjligen fördelaktigt kombineras och inklusion i olika patentkrav medför inte att kombinationer av egenskaper ej är möjliga eller fördelaktiga. Ytterligare exkluderar inte referens till enstaka enheter att det finns 530 BT? 15 flera. Termerna "en", "en första", "en andra" utesluter inte att det finns flera. Referenser gjorda í patentkraven är lämnade enbart som klargörande exempel och skall ej uppfattas som begränsande av patentkravens innebörd pà något sätt.In the claims, the term "comprising" does not exclude the presence of other elements or steps. Furthermore, although individually listed, a number of devices, elements or method steps may be performed by a single unit or data processing equipment. In addition, although individual aspects may be included in different claims, they may possibly be advantageously combined and inclusion in different claims does not mean that combinations of features are not possible or advantageous. Furthermore, reference to single units does not exclude the presence of more. The terms "a", "a first", "a second" do not exclude the presence of more. References made in the claims are provided for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the scope of the claims in any way.

Claims

10 15 20 25 30 35 53Ü 817 16 PATEIVIÉICRAV

A device in use configured for non-invasive measurement of a free gas present in a tissue-surrounded body cavity of a human, characterized in that the device comprises a light source (1,2) arranged to emit light to the tissue-surrounded said body quality; a light receiver (4) arranged to collect light which has passed said body cavity at least once, said collected light being light scattered by the tissue surrounding said body cavity, and said light receiver (4) being arranged to observe at least one wavelength range specific for the free the gas in the body cavity; and a calculation device for determining from the light collected by the light receiver (4) the concentration of the free gas in said body cavity based on optical absorption spectroscopy.

A device according to claim 1, wherein the light receiver (4) is arranged outside the body.

A device according to claim 1 or 2, wherein said wavelength range specific for a free gas is a fraction of that required for bound molecules, reflecting the extremely narrow absorption lines in a free gas, resulting in very sharp absorption impressions in contrast to the wide structures from the bound molecules.

An apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the measurement and the calculation are arranged to calculate the concentration ratio between said free gas and a reference gas whereby the concentration of said free gas can be determined. 10 15 20 25 530 817 17

A device according to any one of the preceding claims, wherein the equipment is arranged in a compact hand-held arrangement adapted to be applied from the outside to said body to measure said free gas in said body cavity.

A device according to any one of the preceding claims, wherein the light source is a single mode diode laser in the near IR range.

A device according to any one of the preceding claims, wherein the light detector is a photomultiplier.

An apparatus according to claim 1, wherein said free gas is selected from the group consisting of oxygen, methane, carbon dioxide, nitrogen or nitric oxide.

A device according to claim 1, wherein the gas analysis is performed by high-resolution laser spectroscopy in scattering media, in the literature also referred to as GAs in Scattering Media Absorption Spectroscopy (GASMAS).

An apparatus according to claim 1, configured to dynamically measure changes in the free gas concentration.

A device according to claim 1, adapted for measuring sinusitis, otitis, the presence of water in the alveoli, or gases in the lungs and intestines.