WO2005050149A2 - Method and device for collecting spectrometric measuring signals - Google Patents

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WO2005050149A2
WO2005050149A2 PCT/EP2004/013135 EP2004013135W WO2005050149A2 WO 2005050149 A2 WO2005050149 A2 WO 2005050149A2 EP 2004013135 W EP2004013135 W EP 2004013135W WO 2005050149 A2 WO2005050149 A2 WO 2005050149A2
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light
measuring arrangement
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wavelength
spectrum
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Holger Jungmann
Michael Schietzel
Martin Schmidt
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Mbr Gmbh
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    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/20Rowland circle spectrometers
    • GPHYSICS
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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/33Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using ultraviolet light
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    • G01N2201/022Casings
    • G01N2201/0221Portable; cableless; compact; hand-held

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for collecting spectrometric measurement signals.
  • a diffraction gate In order to collect such measurement signals, it is known to direct the radiation of a sample to be examined with regard to its spectrum through a slit arrangement to a diffraction gate and thereby to bend it as a function of frequency.
  • the diffraction gate can be designed as a Rowland grating.
  • the spectrum fanned out by the Rowland grating can be recorded by a CCD arrangement and evaluated automatically.
  • CCD arrangements there is the problem that a sufficiently high analysis accuracy can only be achieved with particularly calibrated and relatively expensive arrangements.
  • the object of the invention is to provide solutions by means of which a precise acquisition of spectrometric measurement signals is made possible in a cost-effective manner.
  • This object is achieved according to the invention by a spectrometric measuring arrangement comprising: - an entrance slit device, to allow the passage of radiation to be examined - a Rowland grating device assigned to the entry slit device, for reflection of incident radiation with spectral fanning thereof; a detection device for detecting a narrow section of the spectrum fanned out by the Rowland grating device; and a guide device for guiding the detection device; -
  • the guide device is designed such that it moves the detection device on a detection path of substantially constant spectral sharpness.
  • the detection device is designed as a photodiode.
  • the photodiode can be provided with diaphragm or focusing optics, so that this is only acted upon by the light of a narrow spectral range. It is possible to provide several diodes and to evaluate the measurement signals obtained by them.
  • the detection device As an alternative to the measure mentioned above, it is also possible to design the detection device as a small, only over a partial area of the to form a spread-out spectrum spanning CCD detection device.
  • the guide device is preferably designed such that the detection path runs essentially concentrically to the center of a Rowland circle defined by the Rowland grating device, in particular on the Rowland circle. This makes it possible to evaluate the fanned out light particularly sharply.
  • the guide device preferably comprises a drive device by means of which the detection device can be moved mechanically through the examination area.
  • This drive device can comprise an actuator which contains a motor, in particular an actuator or stepper motor.
  • the motor can in particular be designed as a piezo drive, so that the required advancing and possibly retracting movement is brought about by deformation of a piezo crystal and a suitable transmission mechanism. It is also possible to implement the drive device by means of an electromagnet, for example in the manner of a watch balance magnet.
  • the drive device comprises a bimetal or SMA structure (shape memory alloy structure).
  • the bimetal or SMA structure can be designed as a clock spiral spring and selectively apply a pivoting moment to the guide device.
  • the guide device is preferably designed as a turntable or rotary arm.
  • the turntable or swivel arm can be supported by a tip bearing in the manner of a clock unrest. Web guide structures and / or film hinge structures can also be used.
  • the guide device is preferably equipped with position indicator means for determining the position of the detection device on its path in association with the detected measurement signals. These position indicator means can be designed as incremental rotary encoders, wherein the angle coding can be provided directly on the turntable or on a flank section of the rotary arm. As an alternative to this, or in combination with this measure, it is also possible to determine the position of the detection device via the control of the drive device.
  • the guide device in such a way that, at least temporarily, it allows the detection device to travel several times.
  • the measuring arrangement comprising the Rowland grating and the detection device is preferably designed to be gas-tight, the gap area is preferably covered with a window element which has an absorption spectrum which is permissible with regard to the examination-relevant light spectrum. It is possible to take the absorption spectrum of the upstream, translucent or light-guiding system into account in the evaluation, it is possible to fill the light-permeated space with a gas, with regard to its composition, in particular to flush it.
  • the device according to the invention preferably comprises a memory device for recording the acquired measurement signals.
  • the storage device can be designed as a modularly connectable storage device, in particular as a flash stick. It is possible to provide a programmable evaluation circuit in the area of the measurement arrangement, so that the measurement data is recorded in a manner which is already internal to the device and carries a desired data format and a certain measurement deviation compensation.
  • the measurement signals are preferably recorded as intensity specifications with assignment to their wavelength. The wavelength to be assigned to the currently measured intensity can be determined on the basis of the position of the detection device.
  • the object specified at the outset is also achieved by a method for collecting spectrometric measurement signals, in which the radiation to be examined is spectrally fanned via an entry slit device, in particular directed to a Rowland grating device and reflected by the latter with spectral fanning, with respect to the spectral distribution indicative spectrometric measurement signals are detected by guiding a detection device using a guide device through the fanned-out spectrum on a detection path of essentially constant spectral sharpness.
  • the intensity signals are recorded while the detection device is being guided through the fanned-out spectrum and recorded with assignment to the respective wavelength.
  • the light to be examined is preferably generated by illuminating a sample through a light source device in order to emit the light to be examined as remission radiation.
  • the light source device can be designed as a diode device.
  • the diode device can be operated in a pulsed manner. External light suppression can be carried out using the pulse pattern.
  • the light source device is preferably designed such that its light has selected spectral properties.
  • the method according to the invention can be used in particular for the detection of substances in vital tissue, in that light with a predetermined wavelength is directed onto the tissue in such a way that the light penetrates into the tissue, at least part of the light emerging from the tissue is detected, and the Intensity of the remitted light, or the optical density of the illuminated medium is determined in association with its wavelength and the intensity distribution of the remitted light or optical density determined in this way is compared with at least one reference system, with the presence and / or concentration being based on the comparison result a substance is closed.
  • the references are selected, for example in the form of reference spectra specified in the manner of data sets, such that these - or correlations therewith, for example in the form of matches / deviations therefrom - are in each case indicative of a specific substance - or a group of substances.
  • a substance is advantageously identified on the basis of the intensity of selected wavelength ranges and the concentration of the recognized substance is inferred. According to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, these wavelength ranges are selected with a view to an expected classification result.
  • the spectrum of the light radiated onto the tissue preferably extends over a wavelength range from 200 to 800 nm.
  • a wavelength window between 220 and 400 nm is particularly suitable for the detection of psychoactive substances.
  • the spectral width of the light emitted onto the tissue is set to a value that is smaller than the bandwidth of the analysis area, for example 60 nm.
  • monochrome light it becomes possible to use band-shift effects, which are caused by the substance sought, in the detection of the same. It is possible to use white light with this procedure.
  • the comparison of the detected wavelength / intensity distribution takes place on the basis of a correlation analysis.
  • a correlation analysis Depending on the fulfillment of a correlation relationship, the presence and / or concentration of a substance or groups of substances can be concluded.
  • Several reference bases are preferably provided for the identification of amphetamines, benzodiazepines, cannabinoids, methadone and ecgonines.
  • the reference bases preferably also include data sets for identifying heroin derivatives, cocaine, LSD, Nor-LSD, opiates, buprenorphine, gabapentin, carbamazepine, oxcarbazepine, antidepressants, neuroleptics, barbiturates and antibiotics.
  • the remission light is measured at body parts with different degrees of blood oxygenation. This makes it possible to determine the oxygen content of the blood and the hemoglobin content of the blood and to take influences of the degree of blood oxygenation into account when evaluating the signal.
  • the object specified at the outset is also achieved by a further embodiment of the above-mentioned measuring arrangement for a device for detecting substances in vital tissue, with a light source for generating light with a predetermined spectrum and irradiating the light onto the vital tissue in such a way that that the light penetrates into the tissue, a light detection device for detecting at least a portion of the light remitted from the tissue, a detection device for detecting the intensity of the remitted light with assignment to the wavelength and a comparison device for comparing the determined intensity distribution of the reflectance spectrum with at least one Reference data record, based on the comparison result on the presence and / or concentration of a substance or group of substances.
  • the device comprises an evaluation system which is designed such that it incorporates the algorithm, the evaluation procedure and / or the reference system measured data adaptively changed.
  • the device is advantageously designed such that self-calibration takes place on the basis of the acquired measurement data.
  • the device is advantageously designed such that a function check is carried out on the basis of the acquired measurement data.
  • the device is advantageously designed in such a way that probability statements are made about the presence of possibly interchangeable substances.
  • the device is designed in such a way that an automatic error analysis takes place with each measurement process.
  • the device is advantageously designed such that an automatic error analysis takes place, which, for example, minimizes the probability of future possible measurement errors or incorrect substance identification.
  • FIG. 1 shows a perspective sketch for explaining a variant of a measuring arrangement according to the invention for remission light spectroscopy realized as a pocket device
  • Figure 2 is a schematic diagram to illustrate the concept of the movement of the detection device on the Rowland Vietnamese.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram for further explanation of a construction variant of the measuring arrangement according to the invention.
  • 4 shows a spectrum which is characteristic of the intensity distribution of the light remitted from vital tissue in a wavelength range from 240 to 390 nm for amphetamines
  • 5 shows a spectrum characteristic of the intensity distribution of the light remitted from vital tissue in a wavelength range from 240 to 410 nm for benzodiazepines
  • the measuring arrangement shown in FIG. 1 comprises a housing device 1 which is approximately the size of a highlighter.
  • a sensor head 2 is attached to the housing device.
  • a light guide 3 whose end face is flush with the end face of the sensor head 2.
  • the light guide 3 is provided in the area of the sensor head 2 with an opaque sheathing.
  • a light source device (not shown in more detail) is provided, through which light with a predetermined wavelength distribution according to a predetermined pulse pattern can be coupled into the translucent sensor head 2, and via this the upper skin layer of a living being to be examined.
  • the light guide leads to an entrance slit device 4, through which the remission light coupled into the light guide 3 can be dispersed. Downstream of that entrance slit device 4 there is a concavely curved Rowland grating 5. This Rowland grating 5 spectrally breaks down and deflects the incident light.
  • a bearing device 7 is provided concentrically with a Rowland circle 6 defined by the Rowland grid, on which a guide device 8 is pivotably mounted.
  • a photodiode 9 is provided on the guide device 8, which has a narrow slit window which is essentially perpendicular to the plane of the Rowland circle and faces the Rowland grating 5.
  • the device is preferably designed such that the radius of the Rowland circle is in the range of 4.2 to 18 mm, preferably 6.4 mm.
  • the photodiode 9 is coupled to a control device 10 via a flexible conductor track (not shown in any more detail) such that the intensity of the light entering the slit window can be detected via the control device 10 on the basis of the voltage generated via the photodiode 9.
  • the photodiode 9 is mounted on the guide device 8 in such a way that it is moved by the guide device on the Rowland circle, and as a result can detect the incident, spectrally decomposed light largely without overlap and with high selectivity.
  • a drive device 11 which is implemented here merely as an example of a spindle drive, is provided.
  • the drive device 11 comprises a spindle 12 which is in engagement with a toothed circle segment 13 which is formed integrally with the guide device 8.
  • the spindle 12 is driven by a stepper motor 14.
  • the stepper motor 14 is controlled via the control device 10.
  • the movement of the photodiode 9 or a light tapping structure is preferably carried out using a piezo motor, which causes the required drive movement by means of deformations which are brought about in a defined high frequency. These deformations can be transmitted, in particular, via a pushing and retracting finger to a structure carrying the tapping device. It is also possible to integrate the piezo drive directly into the tapping device, in particular a diode body.
  • the drive device 11 makes it possible to guide the photodiode over the entire area of the light broken down by the Rowland grating 5. Each angular position corresponds to a certain wavelength.
  • the intensities measured continuously by the diode are stored while the spectrum is being scanned, with assignment to the wavelength or the angular position. Compensation procedures can be implemented in the control device 10, by means of which certain system properties of the measuring system can be compensated, possibly corrected.
  • the measured signals determined can be stored in a storage device which, for example in the manner of a flash stick, forms a sub-module of the device.
  • the stored data can then be used as the basis for a more in-depth evaluation. It is also possible to carry out a signal evaluation in the device in the area of the device, in particular by corresponding configuration of the control device 10, and to determine certain evaluation results, e.g. display the detection of certain substances.
  • the light guide shown here which terminates flat with the sensor head 2, can also be designed as a protruding light guide needle, which is preferably sheathed by steel tubes and protrudes beyond the sensor head. This makes it possible to absorb radiation invasively from deeper tissue layers. It is possible to design the needle device in such a way that a series of spectra can be obtained with different penetration depths. The different spectra obtained in this way make it possible, as in patent application DE 101 22 109, which relates to the applicant, to determine the concentration of certain substances.
  • the evaluation can be carried out directly by an internal, appropriately configured computer device (10).
  • FIG. 2 shows a schematic diagram to illustrate the functional principle on which the measurement arrangement according to the invention is based.
  • the incident light is directed onto the Rowland grating 5 via the entry slit 4 and is spectrally broken down by the latter.
  • the intensity of the individual spectral components of the split light is measured by using only a partial area of the spectrum width, in particular only a slit section of the Spectrum-detecting detection device on a path of high measuring sharpness through which light is moved.
  • the preceding statements apply analogously to the sketch according to FIG. 3, in particular for the components provided with reference numerals therein.
  • the measuring arrangement can be implemented in such a way that the diameter of the Rowland circle is approximately 18 mm.
  • the mechanics provided for realizing the guide device can be implemented on a circuit board.
  • the actuating movement can also be realized by a magnetic coil (e.g. rotating armature device) or a bimetal structure.
  • the guide device is preferably balanced in such a way that external accelerations do not cause impermissible torques on the guide device.
  • the guide device 8 is preferably mounted directly on a support structure supporting the Rowland grating, so that no inadmissible displacements can take place between these components apart from the relative movement required for guiding the photodiode 9 through the spectrum.
  • FIG. 4 shows a light for different amphetamines with respect to the intensity distribution of the light remitted from vital tissue and detectable by the measuring device according to the invention.
  • Graph a shows the reflectance light spectrum for DL-MDA D5.
  • the graph a has a characteristic local minimum at a wavelength of 256 nm.
  • the optical density of the reflected light is 0.6 for the wavelength of 256nm, 1.25 for the wavelength 274nm, 1.5 for the wavelength of 286nm and 1.7 for the wavelength of 298nm.
  • Graph b describes the reflectance light spectrum for D-amphetamine in a concentration of 500 ng / ml.
  • the characteristic of the D-amphetamine Graph b has a local maximum at a wavelength of 260 nm.
  • the D-amphetamine is reliably detectable even at the concentration of 500 ng / ml shown here in the wavelength window of 250 to 400 nm, to the extent that the spectrum characteristic of D-amphetamine differs significantly from that otherwise Typical spectra of amphetamines differs and has a maximum in particular at 260 nm.
  • Graph c shows a characteristic reflectance light spectrum for DL-MDMA in a concentration of 500 ng / ml.
  • the graph c has a characteristic absolute maximum at a wavelength of 286nm.
  • the graph c has no further local extreme values in the range from 260 to 310 nm.
  • the graph c is characterized by a bell-like course which is essentially symmetrical to the absolute maximum at 286 nm.
  • the absolute maximum of the DL-MDMA is in the range of a central nervous relevant concentration approximately in the range of the local maximum of the DL-MDA (graph a).
  • the graph d shows a characteristic curve of the optical density over the wavelength for DL-metamphetamine.
  • a characteristic local minimum results at a wavelength of 257 nm and a characteristic absolute maximum at a wavelength of 261 nm.
  • the graph e shows a reflection light spectrum characteristic of DL-3.4-MDEA at a concentration of 500 ng / ml.
  • the graph e is characterized by a local minimum at a wavelength in the range of 255 nm. At a wavelength in the range of 286nm, a local maximum results similar to DL-MDMA (500 ng / ml). Beyond a wavelength of 310 nm, the optical density of the remission light for DL-3,4-MDEA (500 ng / ml) is almost 0.
  • Graph f describes the course of the reflectance light spectrum for D-metamphetamine (500ng / ml). At a wavelength of 254nm there is a local maximum. At a wavelength of 257nm there is a local minimum. At a wavelength of 260nm there is an absolute maximum. At wavelengths of 265nm and 269nm there are maxima with regard to the derivation of the optical density over the wavelength.
  • Graph g shows a reflectance light spectrum that is significant for a DL-amphetamine at a concentration of 500 ng / ml. Significant is a local minimum at a wavelength of 270nm, a minimum at a wavelength of 262nm and a maximum at a wavelength of 312nm.
  • Graph h describes the reflectance light spectrum for desmethyldiazepam in a concentration of 500 ng / ml.
  • the spectrum in the range from 240 to 300 nm is particularly characteristic of this substance. This results in a local minimum at a wavelength of 254nm and an absolute maximum at a wavelength of 282nm. Beyond a wavelength of 294nm, this substance shows no spectral component.
  • the graph i describes the course of a course of the remission light spectrum which is characteristic of flunitrazepam (500ng / ml).
  • Graph j shows the course of the reflectance light spectrum for ⁇ -hydroxy-alprazolam.
  • the graph k shows the reflectance light spectrum for lorazepam in a concentration of 500 ng / ml.
  • Graph I shows the course for oxazepam in a concentration of (500 ng / ml).
  • the graph m shows the course of the reflectance light spectrum for nitrazepam (500 ng / ml).
  • the graph n shows the course of the reflectance light spectrum in a wavelength range from 240 to 400 nm for nor-diazepam also in a concentration of 500 ng / ml.
  • the psychoactive substances in vital tissue are preferably identified by the combined use of several correlation criteria.
  • the detectability and clear assignments of a spectrum to a substance or a group of substances result in particular when paired gradients of the weighted, non-linear derivatives, e.g. for the group of cocaine and ecgonine, the group of amphetamines and the group of cannabinoids. If this gradient formation shows that absorption maxima at specific wavelengths that are characteristic of this substance or group of substances can be detected for each substance or a chemically related group of substances, then these maxima are the result of identical substances or groups of substances.
  • the generation of a reflectance light spectrum according to the invention makes it possible to reliably detect psychoactive substances in extremely low substance concentrations. It is possible to clearly separate the individual spectra that overlap to form a total emission light spectrum.
  • the evaluation results are available after the shortest evaluation time.
  • the reflection light spectrum can advantageously be recorded in a non-invasive manner. This results in a inexpensive and particularly informative screening process for psychotropic drugs (neuroleptics, antidepressants, sedatives and hypnotics), antiepileptics and antibiotics and their metabolites.
  • the selection method according to the invention creates the possibility of proving the presence of illegal drugs and medicaments of the named pharmaceutical groups in the human organism without taking blood, hair analysis or urine tests.
  • the investigations carried out in connection with the testing of the solution according to the invention show that the method according to the invention is suitable for routine detection of illegal substances in the blood.
  • the analysis method which can be carried out by means of a comparatively inexpensive hardware, is therefore suitable for routine checks in road traffic, for the detection of illegal drugs and other drugs and psychoactive substances that restrict the ability to drive.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the detection of cannabinoids, amphetamines and cocaine.
  • the psychoactive substances can be routinely detected by illuminating the skin of the person to be examined.
  • Other areas of application are the level control of antiepileptics, which are used in humans in a level-controlled manner.
  • Drug monitoring-supported pharmacotherapeutic intervention options are supported in the field of antibiotic therapy and drug monitoring
  • a particularly reliable evaluation of the reflection spectra recorded in vivo is preferably carried out by a central evaluation unit.
  • Reflective light spectrum indicative data records can be forwarded to a central computer, possibly via the Internet, via a mobile communication device.
  • a central computer possibly via the Internet, via a mobile communication device.
  • extensive correlational algorithms can be processed in order to calculate the type and concentration of any impermissible substances in the human organism from the reflected light spectrum. It is also possible to take known matrix effects into account.
  • the method according to the invention makes it possible to reliably detect metabolites of the psychoactive substances transdermally in the capillary bed.
  • the method according to the invention is based on the principle that light of different wavelengths penetrates the living tissue to different depths. In particular, longer-wave (low-energy) light penetrates deeper into the tissue than shorter-wave (higher-energy) light. This means that short-wave light reaches less substance at the same measuring point than long-wave light. A concentration gradient is obtained within the spectrum from short-wave to long-wave light.
  • the measurement method according to the invention for determining the concentration of psychoactive substances, in particular chromophores in the tissue advantageously uses this effect. If the same measuring point is now illuminated with light of different intensities, spectra are obtained which come from different depths. If these spectra are weighted accordingly and subtracted from one another, the concentration of certain substances is obtained as a function of the depth difference.
  • Every change in concentration includes a defined change in intensity over a defined wavelength, which is only within a certain wavelength range that is characteristic of the substance.
  • the associated light path can be determined directly from the intensity and distribution differences.
  • a distribution difference thus advantageously corresponds to a specific concentration difference.
  • the path can be determined according to the Lambert-Beer law from the difference in light intensity belonging to the concentration difference.
  • the method according to the invention makes it possible, in the stratum corneum, in the epidermis and down to the dermis, to determine substances qualitatively even with an inhomogeneous distribution in a measuring volume of about 10 ⁇ m thickness.
  • This method is therefore suitable for making quantitative statements about the concentration of a substance in a defined depth of penetration.
  • the depth resolution is preferably approximately 8 ⁇ m. This makes it possible to examine the skin in layers of 8 ⁇ m from the outside in, quantitatively and non-invasively by spectroscopy.
  • the method according to the invention is carried out by a spectral photometer whose spectral resolution is 0.33 nm. This makes it possible to carry out 3 measurements per nm, so that each spectrum can be resolved and calculated at very small intervals. This makes it possible to distinguish substances with similar spectra from one another. This high resolution can advantageously be achieved by a CCD array with 2048 cells.
  • the generation of the light emitted onto the person to be examined is preferably carried out using a deuterium lamp and a halogen lamp, which provide sufficient light in the range from 200 to 800 nm. It has been shown that the in-vivo drug quantities in the tissue amount to approximately 0.05% of the total absorption. The intensity fluctuations of the emitted light from the lamp should therefore be considerably smaller than the absorption changes due to the drugs.
  • the voltage and current stability of the lamp is preferably less than 6 x 10 "6 (pp) and the current and voltage drift is preferably less than 0.01% per hour.
  • an attenuation element can be used in an advantageous manner, which can continuously change the intensity of the incident light with the aid of a mechanically adjustable diaphragm.
  • the light source is connected to the attenuator via an optical fiber cable using an SMA connector.
  • An optical system can be used to project parallel light onto the output of the attenuator, which is also formed by an SMA connector. From here, the light reaches the object via a light guide.
  • the aperture opening is preferably calculated in such a way that the light characteristic is not significantly influenced during the dimming.
  • the stepper motor is preferably controlled by a computer, which also the optical recording unit is located.
  • the motor is preferably designed such that it can carry out 10,000 steps per revolution. This enables a sufficiently fine-step change in the light intensity in order to achieve sufficient spatial resolution at different depths.
  • a sensor head was developed for carrying out the method according to the invention by measuring the incident light on human skin.
  • This preferably has 19 light guides that bring the light onto the skin.
  • 4 light guides collect the reflected light and guide it to the entrance slit area of the exhibition arrangement.
  • the cone of light hits the Rowland grating and is spectrally broken down by it.
  • a guide device guides a photodiode on the Rowland circle through the emitted, spectrally split light. While the photodiode is being guided, the measured light intensity is continuously stored, with assignment to the detection position of the diode or the wavelength calculated from it. By taking the characteristic diagram of the diode into account, it is possible to determine the spectral distribution on the Rowland circle with high sharpness using this measuring arrangement.
  • a further increase in the quality of the measured values can be achieved by using a light guide upstream of the entrance slit, which comprises an even larger number of light guides, for example 70 light guide wires, which enables an even more homogeneous illumination of the tissue.
  • Antiepileptics and antibiotics can be detected by the method according to the invention, since it has been shown that a large number of these substances, in particular in a wavelength range from 200 to 800 nm, clearly change the in vivo obtained Remission light spectrum caused.
  • Methadone occurs in two stereo-enantiomeric forms.
  • One molecular form - hereinafter referred to as D-methadone - turns polarized light to the right, the other - hereinafter referred to as L-polamidone - to the left.
  • the analgesic and withdrawal compensatory form is predominantly the L form. Since in medical / therapeutic practice both a mixture of both and the L-polamidone occur as a pure form, it is important to be able to distinguish between the two methadones.
  • the method according to the invention can be carried out as follows:
  • a sensor head is placed on their skin surface, for example in the inner arm area, through which light in a
  • Wavelength range of 240 to 800nm is radiated into the skin.
  • This from a certain section of skin depth from the skin reflected light is detected by an optical fiber device and fed to a spectrometer according to the invention.
  • the spectrum of the remission light collected via the light guide is recorded.
  • the recorded spectrum is subjected to a mathematical evaluation procedure by a computer device. This mathematical evaluation procedure preferably takes into account certain ones
  • Correlation properties between spectra that are indicative of a large number of potentially relevant drugs and medications Since the reflectance light spectrum recorded by the spectrometer device is both for the type of substance that has interacted with the light and for its concentration, it is possible to use the reference spectra for a large number of substances, the type and concentration of the substances to be detected from the remission - Calculate light spectrum.
  • Both the light source for generating the examination light and the sensor head for receiving the remission light, including the spectrometer, are preferably constructed as mobile handheld devices.
  • a central evaluation unit for example via a mobile communication system.
  • the evaluation of the reflected light spectrum transmitted in this way can then be evaluated on the basis of a comprehensive data set and by means of powerful hardware.
  • the evaluation result obtained in this way can then be transmitted back, for example, as an SMS data record to the area of the detection device.
  • oxygen, hemoglobin and drug levels can be determined without the need for traumatic and technically cumbersome blood tests.

Abstract

The invention relates to a method and device for collecting spectrometric measuring signals. The aim of said invention is to deliver solutions which make it possible to exactly collect spectrometric measuring signals in a low-cost matter. Said aim is attained by a spectrometric measuring device comprising an input splitting device for passing studied radiation, a Rowland grid device which is associated therewith and reflects incident radiation by spectral spreading, a recording device for recording the narrow part of the spectrum spread by said Rowland grid device and a guiding device which guides and displaces the recording device on a detection path whose spectral clearness is substentially contrast, whereby making it possible to obtain an accurate spectral distribution of studied light in an advantage manner. Said invention also makes it possible to form a recording device or to couple said device to an evaluation system in an operational manner in such a way that possible dependencies of the recorded intensity with respect to the wavelength of the light incident to the recording device are compensated by evaluation procedures. Compensating parameters can determined by gauging procedures and recorded in the internal memory of the device.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erhebung spektrometrischer Messsignale Method and device for collecting spectrometric measurement signals
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erhebung spektrometrischer Messsignale.The invention relates to a method and a device for collecting spectrometric measurement signals.
Zur Erhebung derartiger Messsignale ist es bekannt, die hinsichtlich ihres Spektrums zu untersuchende Strahlung einer Probe durch eine Spaltanordnung auf ein Diffraktionsgatter zu leiten und hierdurch frequenzabhängig zu beugen. Das Diffraktionsgatter kann als Rowland-Gitter ausgebildet sein. Das durch das Rowland-Gitter aufgefachte Spektrum kann durch eine CCD-Anordnung aufgezeichnet und automatisch ausgewertet werden. Hinsichtlich der Verwendung von CCD-Anordnungen besteht das Problem, dass eine hinreichend hohe Analysegenauigkeit nur mit besonders geeichten und in ihrem Aufbau relativ teuren Anordnungen erreichbar ist.In order to collect such measurement signals, it is known to direct the radiation of a sample to be examined with regard to its spectrum through a slit arrangement to a diffraction gate and thereby to bend it as a function of frequency. The diffraction gate can be designed as a Rowland grating. The spectrum fanned out by the Rowland grating can be recorded by a CCD arrangement and evaluated automatically. With regard to the use of CCD arrangements, there is the problem that a sufficiently high analysis accuracy can only be achieved with particularly calibrated and relatively expensive arrangements.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen bereitzustellen, durch welche eine präzise Erhebung spektrometrischer Messsignale in kostengünstiger Weise ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine spektrometrische Messanordnung umfassend: - eine Eintrittsspalteinrichtung, zur Gestattung des Durchtritts von zu untersuchender Strahlung - eine der Eintrittsspalteinrichtung zugeordnete Rowland-Gittereinrichtung, zur Reflektion auftreffender Strahlung unter spektraler Auffächerung derselben; - einer Erfassungseinrichtung, zur Erfassung eines schmalen Ausschnitts des durch die Rowland-Gittereinrichtung aufgefächerten Spektrums; und - einer Führungseinrichtung zur Führung der Erfassungseinrichtung; - wobei die Führungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese die Erfassungseinrichtung auf einer Detektionsbahn von im wesentlichen konstanter spektraler Schärfe bewegt.The object of the invention is to provide solutions by means of which a precise acquisition of spectrometric measurement signals is made possible in a cost-effective manner. This object is achieved according to the invention by a spectrometric measuring arrangement comprising: - an entrance slit device, to allow the passage of radiation to be examined - a Rowland grating device assigned to the entry slit device, for reflection of incident radiation with spectral fanning thereof; a detection device for detecting a narrow section of the spectrum fanned out by the Rowland grating device; and a guide device for guiding the detection device; - The guide device is designed such that it moves the detection device on a detection path of substantially constant spectral sharpness.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, die Spektralverteilung des zu untersuchenden Lichtes präzise anzugeben. Es ist möglich, Die Erfassungseinrichtung so auszubilden, oder operativ derart an ein Auswertungssystem anzukoppeln, dass etwaige Abhängigkeiten der erfassten Intensität von der Wellenlänge des auf die Erfassungseinrichtung auftreffenden Lichtes, durch Auswertungsprozeduren kompensiert werden. Kompensationsparameter können durch Eichprozeduren ermittelt und in einer geräteinternen Speichereinrichtung abgelegt werden.This advantageously makes it possible to precisely specify the spectral distribution of the light to be examined. It is possible to design the detection device, or to operatively couple it to an evaluation system in such a way that any dependencies of the detected intensity on the wavelength of the light incident on the detection device are compensated for by evaluation procedures. Compensation parameters can be determined by calibration procedures and stored in an internal storage device.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Erfassungseinrichtung als Photodiode ausgebildet. Die Photodiode kann mit einer Blenden- oder Fokussieroptik versehen sein, so dass diese nur durch das Licht eines schmalen Spektralbereichs beaufschlagt wird. Es ist möglich, mehrere Dioden vorzusehen und die durch diese gewonnenen Messsignale zusammenfassend auszuwerten.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the detection device is designed as a photodiode. The photodiode can be provided with diaphragm or focusing optics, so that this is only acted upon by the light of a narrow spectral range. It is possible to provide several diodes and to evaluate the measurement signals obtained by them.
Alternativ zu der vorangehend genannten Maßnahme ist es auch möglich, die Erfassungseinrichtung als kleine, sich nur über einen Teilbereich des aufgefächerten Spektrums erstreckende CCD-Erfassungseinrichtung auszubilden.As an alternative to the measure mentioned above, it is also possible to design the detection device as a small, only over a partial area of the to form a spread-out spectrum spanning CCD detection device.
Vorzugsweise ist die Führungseinrichtung derart ausgebildet, dass die Detektionsbahn im wesentlichen konzentrisch zum Mittelpunkt eines durch die Rowland-Gittereinrichtung definierten Rowlandkreises, insbesondere auf dem Rowland-Kreis verläuft. Dadurch wird es möglich, das aufgefächerte Licht besonders scharf auszuwerten.The guide device is preferably designed such that the detection path runs essentially concentrically to the center of a Rowland circle defined by the Rowland grating device, in particular on the Rowland circle. This makes it possible to evaluate the fanned out light particularly sharply.
Die Führungseinrichtung umfasst vorzugsweise eine Antriebseinrichtung durch welche die Erfassungseinrichtung mechanisch durch den Untersuchungsbereich bewegbar ist. Diese Antriebseinrichtung kann einen Stelltrieb umfassen, der einen Motor, insbesondere Stell- oder Schrittmotor enthält. Der Motor kann insbesondere als Piezo-Antrieb ausgebildet sein, so dass die erforderliche Vorschub- und ggf. Rückzugsbewegung durch Verformungen eines Piezo-Kristalls sowie einer geeigneten Übertragungsmechanik herbeigeführt werden. Es ist auch möglich, die Antriebseinrichtung durch einen Elektromagneten beispielsweise in der Art eines Uhr-Unruhemagneten zu realisieren.The guide device preferably comprises a drive device by means of which the detection device can be moved mechanically through the examination area. This drive device can comprise an actuator which contains a motor, in particular an actuator or stepper motor. The motor can in particular be designed as a piezo drive, so that the required advancing and possibly retracting movement is brought about by deformation of a piezo crystal and a suitable transmission mechanism. It is also possible to implement the drive device by means of an electromagnet, for example in the manner of a watch balance magnet.
Eine besonders kostengünstige Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gegeben, dass die Antriebseinrichtung eine Bi-Metall oder SMA-Struktur (shape memory alloy- Struktur) umfasst. Die Bi-Metall oder SMA-Struktur kann als Uhrspiralfeder ausgebildet sein und selektiv ein Schwenkmoment auf die Führungseinrichtung aufbringen.A particularly inexpensive embodiment of the invention is given in that the drive device comprises a bimetal or SMA structure (shape memory alloy structure). The bimetal or SMA structure can be designed as a clock spiral spring and selectively apply a pivoting moment to the guide device.
Vorzugsweise ist die Führungseinrichtung als Drehteller- oder Dreharm ausgebildet. Der Drehteller- oder Dreharm kann über ein Spitzenlager in der Art einer Uhr-Unruhe gelagert sein. Es sind auch Bahnführungsstrukturen und/oder Filmscharnierstrukturen verwendbar. Vorzugsweise ist die Führungseinrichtung mit Positionsindikationsmitteln ausgestattet, zur Bestimmung der Position der Erfassungseinrichtung auf ihrer Bahn in Zuordnung zu den erfassten Messsignalen. Diese Positionsindikationsmittel können als Inkremental-Drehgeber ausgebildet sein, wobei die Winkelkodierung unmittelbar an dem Drehteller oder einem Flankenabschnitt des Dreharms vorgesehen sein kann. Alternativ hierzu, oder auch in Kombination mit dieser Maßnahme ist es auch möglich, die Position der Erfassungseinrichtung über die Ansteuerung der Antriebseinrichtung zu ermitteln.The guide device is preferably designed as a turntable or rotary arm. The turntable or swivel arm can be supported by a tip bearing in the manner of a clock unrest. Web guide structures and / or film hinge structures can also be used. The guide device is preferably equipped with position indicator means for determining the position of the detection device on its path in association with the detected measurement signals. These position indicator means can be designed as incremental rotary encoders, wherein the angle coding can be provided directly on the turntable or on a flank section of the rotary arm. As an alternative to this, or in combination with this measure, it is also possible to determine the position of the detection device via the control of the drive device.
Es ist möglich, die Führungseinrichtung so auszubilden, dass diese zumindest temporär mehrere Umläufe der Erfassungseinrichtung ermöglicht.It is possible to design the guide device in such a way that, at least temporarily, it allows the detection device to travel several times.
Die das Rowlandgitter und die Erfassungseinrichtung umfassende Messanordnung ist vorzugsweise gasdicht geschlossen ausgebildet, der Spaltbereich ist vorzugsweise mit einem Fensterelement abgedeckt, das ein im Hinblick auf das untersuchungsrelevante Lichtspektrum zulässiges Absorptionsspektrum aufweist. Es ist möglich, das Absorptionsspektrum des vorgelagerten, lichtdurchlässigen, oder lichtleitenden Systems bei der Auswertung zu berücksichtigen, es ist möglich, den lichtdurchsetzten Raum mit einem hinsichtlich seiner Zusammensetzung definierten Gas zu füllen, insbesondere zu spülen.The measuring arrangement comprising the Rowland grating and the detection device is preferably designed to be gas-tight, the gap area is preferably covered with a window element which has an absorption spectrum which is permissible with regard to the examination-relevant light spectrum. It is possible to take the absorption spectrum of the upstream, translucent or light-guiding system into account in the evaluation, it is possible to fill the light-permeated space with a gas, with regard to its composition, in particular to flush it.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst vorzugsweise eine Speichereinrichtung, zur Aufzeichnung der erfassten Messsignale. Die Speichereinrichtung kann als modular ankoppelbare Speichereinrichtung, insbesondere als Flash-Stick ausgebildet sein. Es ist möglich, im Bereich der Messanordnung eine programmierbare Auswertungsschaltung vorzusehen, so dass die Aufzeichnung der Messdaten in einer, einem gewünschten Datenformat sowie einer bestimmten Messabweichungskompensation bereits geräteintern rechnungtragenden Weise erfolgt. Die Messsignale werden vorzugsweise als Intensitätsangaben unter Zuordnung zu ihrer Wellenlänge aufgezeichnet. Die der momentan gemessenen Intensität zuzuordnende Wellenlänge kann anhand der Position der Erfassungseinrichtung bestimmt werden.The device according to the invention preferably comprises a memory device for recording the acquired measurement signals. The storage device can be designed as a modularly connectable storage device, in particular as a flash stick. It is possible to provide a programmable evaluation circuit in the area of the measurement arrangement, so that the measurement data is recorded in a manner which is already internal to the device and carries a desired data format and a certain measurement deviation compensation. The measurement signals are preferably recorded as intensity specifications with assignment to their wavelength. The wavelength to be assigned to the currently measured intensity can be determined on the basis of the position of the detection device.
Es ist auch möglich, die zuzuordnende Wellenlänge durch pulsweise Einstrahlung eines, oder mehrerer Referenzspektren und Auswertung des Intensitätssignals zu ermitteln.It is also possible to determine the wavelength to be assigned by pulsed irradiation of one or more reference spectra and evaluation of the intensity signal.
Die eingangs angegebene Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zur Erhebung spekrometrischer Messsignale, bei welchem über eine Eintrittsspalteinrichtung, die zu untersuchende Strahlung spektral gefächert, insbesondere auf eine Rowland-Gittereinrichtung geleitet und von dieser unter spektraler Auffächerung reflektiert wird, wobei die hinsichtlich der spektralen Verteilung indikativen spektrometrischen Messsignale erfasst werden, indem eine Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer Führungseinrichtung durch das aufgefächerte Spektrum auf einer Detektionsbahn von im wesentlichen konstanter spektraler Schärfe geführt wird.The object specified at the outset is also achieved by a method for collecting spectrometric measurement signals, in which the radiation to be examined is spectrally fanned via an entry slit device, in particular directed to a Rowland grating device and reflected by the latter with spectral fanning, with respect to the spectral distribution indicative spectrometric measurement signals are detected by guiding a detection device using a guide device through the fanned-out spectrum on a detection path of essentially constant spectral sharpness.
Vorzugsweise werden während der Führung der Erfassungseinrichtung durch das aufgefächerte Spektrum die Intensitätssignale erfasst und unter Zuordnung zur jeweiligen Wellenlänge aufgezeichnet.Preferably, the intensity signals are recorded while the detection device is being guided through the fanned-out spectrum and recorded with assignment to the respective wavelength.
Vorzugsweise wird das zu untersuchende Licht erzeugt, indem durch eine Lichtquelleneinrichtung eine Probe beleuchtet wird, zur Abgabe des zu untersuchenden Lichts als Remissionsstrahlung.The light to be examined is preferably generated by illuminating a sample through a light source device in order to emit the light to be examined as remission radiation.
Die Lichtquelleneinrichtung kann als Diodeneinrichtung ausgebildet sein. Die Diodeneinrichtung kann gepulst betrieben werden. Anhand des Pulsmusters kann eine Fremdlichtunterdrückung erfolgen. Die Lichtquelleneinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass deren Licht ausgewählte spektrale Eigenschaften aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Erfassung von Stoffen in vitalem Gewebe angewendet werden, indem Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge derart auf das Gewebe gerichtet wird, dass das Licht in das Gewebe eindringt, zumindest ein Teil des aus dem Gewebe austretenden Lichtes erfasst wird, und die Intensität des remittierten Lichtes, oder die optische Dichte des beleuchteten Mediums unter Zuordnung zu seiner Wellenlänge ermittelt wird und die derart ermittelte Intensitätsverteilung des remittierten Lichtes oder optischen Dichte, mit wenigstens einem Referenzsystem verglichen wird, wobei auf Grundlage des Vergleichsergebnisses auf die Präsenz und/oder Konzentration eines Stoffes geschlossen wird.The light source device can be designed as a diode device. The diode device can be operated in a pulsed manner. External light suppression can be carried out using the pulse pattern. The light source device is preferably designed such that its light has selected spectral properties. The method according to the invention can be used in particular for the detection of substances in vital tissue, in that light with a predetermined wavelength is directed onto the tissue in such a way that the light penetrates into the tissue, at least part of the light emerging from the tissue is detected, and the Intensity of the remitted light, or the optical density of the illuminated medium is determined in association with its wavelength and the intensity distribution of the remitted light or optical density determined in this way is compared with at least one reference system, with the presence and / or concentration being based on the comparison result a substance is closed.
Dadurch wird es auf vorteilhafte Weise möglich, verschiedene Substanzen in- vivo, nicht-invasiv zu erfassen und etwaige medizinische Hilfs- oder Therapiemaßnahmen präzise auf den physiologischen Zustand dieser Person abzustimmen. In besonders vorteilhafter Weise wird es auch möglich, krankheitsbedingt im Kreislauf der Person befindliche Substanzen zu detektieren und hierauf basierend eine Medikation abzustimmen. In weiterhin vorteilhafter Weise wird es möglich, psychoaktive Substanzen, deren Abbauprodukte, illegale Drogen sowie Pharmaka und ebenfalls deren Metabolite zu erfassen.This advantageously makes it possible to record various substances in vivo, non-invasively, and to tailor any medical auxiliary or therapeutic measures precisely to the physiological state of this person. In a particularly advantageous manner, it is also possible to detect substances in the person's circulation due to illness and to adjust medication based thereon. In a further advantageous manner, it becomes possible to record psychoactive substances, their breakdown products, illegal drugs and pharmaceuticals and also their metabolites.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens sind die Referenzen beispielsweise in Form von datensatzartig spezifizierten Referenzspektren derart ausgewählt, dass diese - oder Korrelationen hiermit , beispielsweise in Form von Übereinstimmungen/Abweichungen hiervon - jeweils für einen bestimmten Stoff - oder eine Stoffgruppe indikativ sind.According to a particularly preferred embodiment of the method, the references are selected, for example in the form of reference spectra specified in the manner of data sets, such that these - or correlations therewith, for example in the form of matches / deviations therefrom - are in each case indicative of a specific substance - or a group of substances.
Alternativ hierzu - oder in besonders vorteilhafter Weise auch in Kombination mit der vorangehend genannten Maßnahme - ist es auch möglich, mehrere Referenzsysteme insbesondere eine Vielzahl von datensatzartig abgespeicherten Referenzspektren vorzusehen, wobei in Abhängigkeit von der Erfüllung vorgegebener Beziehungen mit den Referenzsystemen, insbesondere Referenzspektren und der erfassten Spektralverteilung auf die Präsenz und/oder Konzentration eines Stoffes geschlossen wird.As an alternative to this - or in a particularly advantageous manner also in combination with the measure mentioned above - it is also possible to use several reference systems, in particular a large number of data sets to provide stored reference spectra, depending on the fulfillment of predefined relationships with the reference systems, in particular reference spectra and the recorded spectral distribution, concluding on the presence and / or concentration of a substance.
In vorteilhafter Weise wird auf Grundlage der Intensität ausgewählter Wellenlängenbereiche ein Stoff identifiziert und auf die Konzentration des erkannten Stoffes geschlossen. Diese Wellenlängenbereiche werden gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Blick auf ein erwartetes Klassifikationsergebnis ausgewählt.A substance is advantageously identified on the basis of the intensity of selected wavelength ranges and the concentration of the recognized substance is inferred. According to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, these wavelength ranges are selected with a view to an expected classification result.
Das Spektrum des auf das Gewebe abgestrahlten Lichtes erstreckt sich vorzugsweise über einen Wellenlängenbereich von 200 bis 800nm. Zum Nachweis psychoaktiver Substanzen eignet sich insbesondere ein Wellenlängenfenster zwischen 220 bis 400nm.The spectrum of the light radiated onto the tissue preferably extends over a wavelength range from 200 to 800 nm. A wavelength window between 220 and 400 nm is particularly suitable for the detection of psychoactive substances.
Es ist möglich, die spektrale Breite des auf das Gewebe abgestrahlten Lichtes auf einen Wert festzulegen, der kleiner ist als die Bandbreite des Analysebereiches beispielsweise 60nm. Insbesondere ist es möglich, im wesentlichen monochromes, insbesondere kohärentes Licht zu verwenden und dessen Frequenz sukzessive über den Analysebereich beispielsweise von 220 bis 400nm zu modulieren. Bei der Verwendung von monochromem Licht wird es möglich, Bandverschiebungseffekte, die durch die gesuchten Substanz hervorgerufen werden, beim Nachweis derselben zu nutzen. Es ist möglich bei diesem Vorgehen weißes Licht zu verwenden.It is possible to set the spectral width of the light emitted onto the tissue to a value that is smaller than the bandwidth of the analysis area, for example 60 nm. In particular, it is possible to use essentially monochrome, in particular coherent, light and to successively modulate its frequency over the analysis range, for example from 220 to 400 nm. When using monochrome light, it becomes possible to use band-shift effects, which are caused by the substance sought, in the detection of the same. It is possible to use white light with this procedure.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Vergleich der erfassten Wellenlängen/Instensitäts-Verteilung auf Grundlage einer Korrelationsbetrachtung. In Abhängigkeit von der Erfüllung einer Korrelationsbeziehung kann hierbei auf die Präsenz und/oder Konzentration eines Stoffes, oder Stoffgruppen geschlossen werden. Vorzugsweise sind mehrere zur Identifikation von Amphetaminen, Benzodiazepinen, Cannabinoiden, Methadon und Ecgoninen herangezogene Referenzgrundlagen vorgesehen.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the comparison of the detected wavelength / intensity distribution takes place on the basis of a correlation analysis. Depending on the fulfillment of a correlation relationship, the presence and / or concentration of a substance or groups of substances can be concluded. Several reference bases are preferably provided for the identification of amphetamines, benzodiazepines, cannabinoids, methadone and ecgonines.
Weiterhin umfassen die Referenzgrundlagen vorzugsweise auch Datensätze zur Identifikation von Heroin-Derivaten, Kokain, LSD, Nor-LSD, Opiaten, Buprenorphin, Gabapentin, Carbamazepin, Oxcarbazepin, Antidepressiva, Neuroleptika, Barbiturate und Antibiotika.Furthermore, the reference bases preferably also include data sets for identifying heroin derivatives, cocaine, LSD, Nor-LSD, opiates, buprenorphine, gabapentin, carbamazepine, oxcarbazepine, antidepressants, neuroleptics, barbiturates and antibiotics.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Remissionslicht an Körperstellen mit unterschiedlichem Blutoxygenierungsgrad gemessen. Dadurch wird es möglich, den Sauerstoffgehalt des Blutes und den Hämoglobingehalt des Blutes zu bestimmen und Einflüsse des Blutoxygenierungsgrades bei der Signalauswertung zu berücksichtigen.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the remission light is measured at body parts with different degrees of blood oxygenation. This makes it possible to determine the oxygen content of the blood and the hemoglobin content of the blood and to take influences of the degree of blood oxygenation into account when evaluating the signal.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die eingangs angegebene Aufgabe auch gelöst durch eine weitere Ausgestaltung der vorangehend genanten Messanordnung zu einer Vorrichtung zur Erfassung von Stoffen in vitalem Gewebe, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von Licht mit einem vorgegebenen Spektrum und Aufstrahlung des Lichtes auf das vitale Gewebe derart, dass das Licht in das Gewebe eindringt, einer Lichterfassungseinrichtung zur Erfassung zumindest eines Teiles des aus dem Gewebe remittierten Lichtes, einer Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Intensität des remittierten Lichtes unter Zuordnung zur Wellenlänge und einer Vergleichseinrichtung zum Vergleichen der ermittelten Intensitätsverteilung des Remissions-Spektrums mit wenigstens einem Referenzdatensatz, wobei auf Grundlage des Vergleichsergebnisses auf die Präsenz und/oder Konzentration eines Stoffes bzw. Stoffgruppe geschlossen wird.In terms of device technology, the object specified at the outset is also achieved by a further embodiment of the above-mentioned measuring arrangement for a device for detecting substances in vital tissue, with a light source for generating light with a predetermined spectrum and irradiating the light onto the vital tissue in such a way that that the light penetrates into the tissue, a light detection device for detecting at least a portion of the light remitted from the tissue, a detection device for detecting the intensity of the remitted light with assignment to the wavelength and a comparison device for comparing the determined intensity distribution of the reflectance spectrum with at least one Reference data record, based on the comparison result on the presence and / or concentration of a substance or group of substances.
In besonders vorteilhafter Weise umfasst die Vorrichtung ein Auswertungssystem, das derart ausgebildet ist, dass dieses den Algorithmus, die Auswerteprozedur und/oder das Referenzsystem unter Einbezug der erfassten Messdaten adaptiv verändert. In vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass auf Grundlage der erfassten Messdaten eine Selbsteichung erfolgt. In vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass auf Grundlage der erfassten Messdaten eine Funktionskontrolle erfolgt. In vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass Wahrscheinlichkeitsaussagen über das Vorhandensein ggf. verwechselbarer Substanzen erfolgen. In weiterhin vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass eine automatische Fehleranalyse bei jedem Messvorgang erfolgt. In vorteilhafter Weise ist die Vorrichtung derart ausgebildet, dass eine automatische Fehleranalyse erfolgt, die beispielsweise die Wahrscheinlichkeit für zukünftige mögliche Messfehler oder falsche Stoffidentifizierung minimiert.In a particularly advantageous manner, the device comprises an evaluation system which is designed such that it incorporates the algorithm, the evaluation procedure and / or the reference system measured data adaptively changed. The device is advantageously designed such that self-calibration takes place on the basis of the acquired measurement data. The device is advantageously designed such that a function check is carried out on the basis of the acquired measurement data. The device is advantageously designed in such a way that probability statements are made about the presence of possibly interchangeable substances. In a further advantageous manner, the device is designed in such a way that an automatic error analysis takes place with each measurement process. The device is advantageously designed such that an automatic error analysis takes place, which, for example, minimizes the probability of future possible measurement errors or incorrect substance identification.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:Further details of the invention emerge from the following description in conjunction with the drawing. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Skizze zur Erläuterung einer als Taschengerät verwirklichten Variante einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Remissionslichtspektroskopie;1 shows a perspective sketch for explaining a variant of a measuring arrangement according to the invention for remission light spectroscopy realized as a pocket device;
Fig. 2 eine Prinzipskizze zur Illustration des Konzepts der Bewegung der Erfassungseinrichtung auf dem Rowlandkreis;Figure 2 is a schematic diagram to illustrate the concept of the movement of the detection device on the Rowlandkreis.
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur weiteren Erläuterung einer Aufbauvariante der erfindungsgemäßen Messanordnung;3 shows a schematic diagram for further explanation of a construction variant of the measuring arrangement according to the invention;
Fig. 4 ein hinsichtlich der Intensitätsverteilung des aus vitalem Gewebe remittierten Lichtes charakteristischen Spektrums in einem Wellenlängenbereich von 240 bis 390nm für Amphetamine; Fig. 5 ein hinsichtlich der Intensitätsverteilung des aus vitalem Gewebe remittierten Lichtes charakteristischen Spektrums in einem Wellenlängenbereich von 240 bis 410nm für Benzodiazepine;4 shows a spectrum which is characteristic of the intensity distribution of the light remitted from vital tissue in a wavelength range from 240 to 390 nm for amphetamines; 5 shows a spectrum characteristic of the intensity distribution of the light remitted from vital tissue in a wavelength range from 240 to 410 nm for benzodiazepines;
Die in Figur 1 gezeigte Messanordnung umfasst eine Gehäuseeinrichtung 1 die in etwa die Größe eines Textmarkers aufweist. An der Gehäuseeinrichtung ist eine Sensorkopf 2 angebracht. Im Zentrum des Sensorkopfes 2 befindet sich ein Lichtleiter 3 dessen Stirnfläche mit der Stirnfläche des Sensorkopfes 2 bündig abschließt. Der Lichtleiter 3 ist im Bereich des Sensorkopfes 2 mit einer lichtundurchlässigen Ummantelung versehen. Im Bereich des Sensorkopfes 2 ist eine nicht näher dargestellte Lichtquelleneinrichtung vorgesehen, durch welche Licht mit einer vorbestimmten Wellenlängenverteilung nach Maßgabe eines vorgegebenen Pulsmusters in den Transluzenten Sensorkopf 2, und über diesen die obere Hautschicht eines zu untersuchenden Lebewesens einkoppelbar ist.The measuring arrangement shown in FIG. 1 comprises a housing device 1 which is approximately the size of a highlighter. A sensor head 2 is attached to the housing device. In the center of the sensor head 2 there is a light guide 3 whose end face is flush with the end face of the sensor head 2. The light guide 3 is provided in the area of the sensor head 2 with an opaque sheathing. In the area of the sensor head 2, a light source device (not shown in more detail) is provided, through which light with a predetermined wavelength distribution according to a predetermined pulse pattern can be coupled into the translucent sensor head 2, and via this the upper skin layer of a living being to be examined.
Der Lichtleiter führt zu einer Eintrittsspalteinrichtung 4, durch welche das in den Lichtleiter 3 eingekoppelte Remissionslicht dispergiert werden kann. lichtstromabwärts jener Eintrittsspalteinrichtung 4 befindet sich ein konkav gekrümmtes Rowland-Gitter 5. Durch dieses Rowland-Gitter 5 wird das auftreffende Licht spektral zerlegt und abgelenkt.The light guide leads to an entrance slit device 4, through which the remission light coupled into the light guide 3 can be dispersed. Downstream of that entrance slit device 4 there is a concavely curved Rowland grating 5. This Rowland grating 5 spectrally breaks down and deflects the incident light.
Konzentrisch zu einem durch das Rowland-Gitter definierten Rowlandkreis 6 ist eine Lagereinrichtung 7 vorgesehen, an welcher eine Führungseinrichtung 8 schwenkbar gelagert ist.A bearing device 7 is provided concentrically with a Rowland circle 6 defined by the Rowland grid, on which a guide device 8 is pivotably mounted.
Auf der Führungseinrichtung 8 ist eine Photodiode 9 vorgesehen, die ein schmales und zur Ebene des Rowlandkreises im wesentlichen senkrechtes Schlitzfenster aufweist, das zum Rowland Gitter 5 hin weist. Die Vorrichtung ist vorzugsweise so gestaltet, dass der Radius des Rowlandkreises im Beriech von 4,2 bis 18mm, vorzugsweise bei 6,4mm liegt. Die Photodiode ist 9 über eine nicht näher dargestellte flexible Leiterbahn mit einer Steuereinrichtung 10 derart gekoppelt, dass über die Steuereinrichtung 10 anhand der über die Photodiode 9 generierten Spannung die Intensität des in das Schlitzfenster eintreffenden Lichts erfasst werden kann.A photodiode 9 is provided on the guide device 8, which has a narrow slit window which is essentially perpendicular to the plane of the Rowland circle and faces the Rowland grating 5. The device is preferably designed such that the radius of the Rowland circle is in the range of 4.2 to 18 mm, preferably 6.4 mm. The photodiode 9 is coupled to a control device 10 via a flexible conductor track (not shown in any more detail) such that the intensity of the light entering the slit window can be detected via the control device 10 on the basis of the voltage generated via the photodiode 9.
Die Photodiode 9 ist auf der Führungseinrichtung 8 derart angebracht, dass diese durch die Führungseinrichtung auf dem Rowlandkreis bewegt wird, und dadurch das auftreffende, spektralzerlegte Licht weitgehend überlagerungsfrei, mit hoher Trennschärfe erfassen kann.The photodiode 9 is mounted on the guide device 8 in such a way that it is moved by the guide device on the Rowland circle, and as a result can detect the incident, spectrally decomposed light largely without overlap and with high selectivity.
Zur Bewegung der Führungseinrichtung 8 ist eine hier lediglich beispielhaft als Spindeltrieb verwirklichte Antriebseinrichtung 11 vorgesehen. Die Antriebseinrichtung 11 umfasst eine Spindel 12, die mit einem verzahnten Kreissegment 13 in Eingriff steht, das integral mit der Führungseinrichtung 8 ausgebildet ist. Die Spindel 12 wird durch einen Schrittmotor 14 angetrieben. Die Ansteuerung des Schrittmotors 14 erfolgt über die Steuereinrichtung 10. Bevorzugt erfolgt die Bewegung der Photodiode 9 oder einer Lichtabgriffsstruktur unter Verwendung eines Piezo-Motors, welcher die erforderliche Antriebsbewegung durch definiert hochfrequent herbeigeführte Verformungen veranlasst. Diese Veformungen können insbesondere über einen Schub- und Rückzugsfinger auf eine die Abgriffseinrichtung tragende Struktur übertrageb werden. Es ist auch möglich, den Piezoantrieb unmittelbar in die Abgriffseinrichtung, insbesondere einen Diodenkorpus zu integrieren.For the movement of the guide device 8, a drive device 11, which is implemented here merely as an example of a spindle drive, is provided. The drive device 11 comprises a spindle 12 which is in engagement with a toothed circle segment 13 which is formed integrally with the guide device 8. The spindle 12 is driven by a stepper motor 14. The stepper motor 14 is controlled via the control device 10. The movement of the photodiode 9 or a light tapping structure is preferably carried out using a piezo motor, which causes the required drive movement by means of deformations which are brought about in a defined high frequency. These deformations can be transmitted, in particular, via a pushing and retracting finger to a structure carrying the tapping device. It is also possible to integrate the piezo drive directly into the tapping device, in particular a diode body.
Über die Antriebseinrichtung 11 wird es möglich, die Photodiode über den gesamten Bereich des durch das Rowland-Gitter 5 zerlegten Lichts zu führen. Jede Winkelposition entspricht einer bestimmten Wellenlänge.The drive device 11 makes it possible to guide the photodiode over the entire area of the light broken down by the Rowland grating 5. Each angular position corresponds to a certain wavelength.
Über die Steuereinheit 10 werden während des Abfahrens des Spektrums die hierbei laufend durch die Diode gemessenen Intensitäten unter Zuordnung zur Wellenlänge, bzw. der Winkelposition abgespeichert. ln der Steuereinrichtung 10 können Kompensationsprozeduren implementiert sein, durch welche bestimmte Systemeigenschaften des Meßsystems kompensiert, ggf. korrigiert werden können.Via the control unit 10, the intensities measured continuously by the diode are stored while the spectrum is being scanned, with assignment to the wavelength or the angular position. Compensation procedures can be implemented in the control device 10, by means of which certain system properties of the measuring system can be compensated, possibly corrected.
Die ermittelten Messsignale können in einer Speicherein richtung abgelegt werden, die beispielsweise in der Art eines Flash-Sticks ein Teilmodul der Vorrichtung bildet. Die gespeicherten Daten können nachfolgend einer tiefergehenden Auswertung zugrundegelegt werden. Es ist auch möglich, im Bereich der Vorrichtung, insbesondere durch entsprechende Konfiguration der Steuereinrichtung 10 bereits in dem Gerät eine Signalauswertung vorzunehmen und bestimmte Auswertungsergebnisse, Z.B. die Erkennung bestimmter Substanzen anzuzeigen.The measured signals determined can be stored in a storage device which, for example in the manner of a flash stick, forms a sub-module of the device. The stored data can then be used as the basis for a more in-depth evaluation. It is also possible to carry out a signal evaluation in the device in the area of the device, in particular by corresponding configuration of the control device 10, and to determine certain evaluation results, e.g. display the detection of certain substances.
Der hier gezeigte, plan mit dem Sensorkopf 2 abschließende Lichtleiter kann auch als überstehende, vorzugsweise durch Stahlröhrchen ummantelte Lichtleiter Nadel ausgebildet sein, die über den Sensorkopf übersteht. Hierdurch wird es möglich, invasiv aus tieferen Gewebeschichten Strahlung aufzunehmen. Es ist möglich, die Nadeleinrichtung so auszubilden, dass eine Serie von Spektren unter unterschiedlicher Eindringtiefe gewonnen werden kann. Die derart gewonnenen unterschiedlichen Spektren ermöglichen es, wie in der auf die Anmelderin zurückgehenden Patentanmeldung DE 101 22 109 eine Konzentrationsbestimmung bestimmter Stoffe vorzunehmen. Die Auswertung kann unmittelbar durch eine interne, entsprechend konfigurierte Rechnereinrichtung (10) erfolgen.The light guide shown here, which terminates flat with the sensor head 2, can also be designed as a protruding light guide needle, which is preferably sheathed by steel tubes and protrudes beyond the sensor head. This makes it possible to absorb radiation invasively from deeper tissue layers. It is possible to design the needle device in such a way that a series of spectra can be obtained with different penetration depths. The different spectra obtained in this way make it possible, as in patent application DE 101 22 109, which relates to the applicant, to determine the concentration of certain substances. The evaluation can be carried out directly by an internal, appropriately configured computer device (10).
Figur 2 zeigt eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung des der erfindungsgemäßen Messanordnung zugrundeliegenden Funktionsprinzips. Über den Eintrittsspalt 4 wird das einfallende Licht auf das Rowland-Gitter 5 gerichtet und von diesem spektral zerlegt. Die Intensität der einzelnen Spektralanteile des zerlegten Lichts wird gemessen, indem eine nur einen Teilbereich der Spektrumsbreite, insbesondere nur einen Spaltausschnitt des Spektrums erfassende Erfassungseinrichtung auf einer Bahn hoher Messschärfe durch das Licht bewegt wird.FIG. 2 shows a schematic diagram to illustrate the functional principle on which the measurement arrangement according to the invention is based. The incident light is directed onto the Rowland grating 5 via the entry slit 4 and is spectrally broken down by the latter. The intensity of the individual spectral components of the split light is measured by using only a partial area of the spectrum width, in particular only a slit section of the Spectrum-detecting detection device on a path of high measuring sharpness through which light is moved.
Zur Skizze gemäß Figur 3 gelten die vorangegangenen Ausführungen, insbesondere für die darin mit Bezugszeichen versehenen Komponenten, sinngemäß. Die Messanordnung kann derart verwirklicht sein, dass der Durchmesser des Rowlandkreises etwa 18mm beträgt. Die zur Verwirklichung der Führungseinrichtung vorgesehene Mechanik kann auf einer Platine verwirklicht sein. Die Stellbewegung kann auch durch eine Magnetspulen- (z.B. Drehankereinrichtung) oder auch eine Bi-Metallstruktur verwirklicht sein. Die Führungseinrichtung ist vorzugsweise derart ausgewuchtet, dass äußere Beschleunigungen keine unzulässigen Drehmomente auf die Führungseinrichtung hervorrufen. Vorzugsweise ist die Führungseinrichtung 8 unmittelbar an einer das Rowland-Gitter tragenden Stützstruktur gelagert, so dass zwischen diesen Komponenten außer der zur Führung der Photodiode 9 durch das Spektrum erforderlichen Relativbewegung keine unzulässigen Verlagerungen erfolgen können.The preceding statements apply analogously to the sketch according to FIG. 3, in particular for the components provided with reference numerals therein. The measuring arrangement can be implemented in such a way that the diameter of the Rowland circle is approximately 18 mm. The mechanics provided for realizing the guide device can be implemented on a circuit board. The actuating movement can also be realized by a magnetic coil (e.g. rotating armature device) or a bimetal structure. The guide device is preferably balanced in such a way that external accelerations do not cause impermissible torques on the guide device. The guide device 8 is preferably mounted directly on a support structure supporting the Rowland grating, so that no inadmissible displacements can take place between these components apart from the relative movement required for guiding the photodiode 9 through the spectrum.
Fig. 4 zeigt ein hinsichtlich der Intensitätsverteilung des aus vitalem Gewebe remittierten und durch die erfindungsgemäße Messeinrichtung erfassbaren Lichtes für unterschiedliche Amphetamine.4 shows a light for different amphetamines with respect to the intensity distribution of the light remitted from vital tissue and detectable by the measuring device according to the invention.
Der Graph a zeigt das Remissionslichtspektrum für DL-MDA D5. Der Graph a weist bei einer Wellenlänge von 256nm ein charakteristisches lokales Minimum auf. Bei Wellenlängen von 275nm, 250nm und 296nm ergeben sich markante lokale Maxima der optischen Dichte des erfassten Remissionslichtes. Die optische Dichte des erfassten Remissionslichtes liegt für die Wellenlänge von 256nm bei 0,6, für die Wellenlänge 274nm bei 1 ,25, für die Wellenlänge von 286nm bei 1 ,5 und für die Wellenlänge von 298nm bei 1 ,7.Graph a shows the reflectance light spectrum for DL-MDA D5. The graph a has a characteristic local minimum at a wavelength of 256 nm. At wavelengths of 275nm, 250nm and 296nm, there are striking local maxima of the optical density of the detected remission light. The optical density of the reflected light is 0.6 for the wavelength of 256nm, 1.25 for the wavelength 274nm, 1.5 for the wavelength of 286nm and 1.7 for the wavelength of 298nm.
Graph b beschreibt das Remissionslichtspektrum für D-Amphetamin in einer Konzentration von 500 ng/ml. Der für das D-Amphetamin charakteristische Graph b, weist bei einer Wellenlänge von 260nm ein lokales Maximum auf. Im Vergleich zu den weiteren beschriebenen Amphetaminen ist das D- Amphetamin selbst bei der hier gezeigten Konzentration von 500 ng/ml in dem Wellenlängenfenster von 250 bis 400nm in soweit zuverlässig nachweisbar, als das sich das für D-Amphetamin charakteristische Spektrum deutlich von den ansonsten für Amphetamine typischen Spektren unterscheidet und insbesondere bei 260nm ein Maximum aufweist.Graph b describes the reflectance light spectrum for D-amphetamine in a concentration of 500 ng / ml. The characteristic of the D-amphetamine Graph b has a local maximum at a wavelength of 260 nm. In comparison to the other amphetamines described, the D-amphetamine is reliably detectable even at the concentration of 500 ng / ml shown here in the wavelength window of 250 to 400 nm, to the extent that the spectrum characteristic of D-amphetamine differs significantly from that otherwise Typical spectra of amphetamines differs and has a maximum in particular at 260 nm.
Der Graph c zeigt ein charakteristisches Remissionslichtspektrum für DL- MDMA in einer Konzentration von 500 ng/ml. Der Graph c hat bei einer Wellenlänge von 286nm ein charakteristisches absolutes Maximum. Der Graph c weist im Bereich von 260 bis 310nm keine weiteren lokalen Extremwerte auf. Der Graph c zeichnet sich durch einen zum absoluten Maximum bei 286nm im wesentlichen symmetrischen, glockenartigen Verlauf aus. Das absolute Maximum des DL-MDMA liegt im Bereich einer zentral nervös relevanten Konzentration in etwa im Bereich des lokalen Maximum des DL-MDA (Graph a).Graph c shows a characteristic reflectance light spectrum for DL-MDMA in a concentration of 500 ng / ml. The graph c has a characteristic absolute maximum at a wavelength of 286nm. The graph c has no further local extreme values in the range from 260 to 310 nm. The graph c is characterized by a bell-like course which is essentially symmetrical to the absolute maximum at 286 nm. The absolute maximum of the DL-MDMA is in the range of a central nervous relevant concentration approximately in the range of the local maximum of the DL-MDA (graph a).
Der Graph d zeigt einen für DL-Metamphetamin charakteristischen Verlauf der optischen Dichte über der Wellenlänge. Bei einer Wellenlänge von 257nm ergibt sich ein charakteristisches lokales Minimum und bei einer Wellenlänge von 261 nm ein charakteristisches absolutes Maximum. Im Wellenlängenbereich von 265nm sowie bei 269nm ergeben sich für die zweite Ableitung der optischen Dichte nach der Wellenlänge charakteristische Maxima.The graph d shows a characteristic curve of the optical density over the wavelength for DL-metamphetamine. A characteristic local minimum results at a wavelength of 257 nm and a characteristic absolute maximum at a wavelength of 261 nm. In the wavelength range of 265nm and at 269nm, there are characteristic maxima for the second derivative of the optical density after the wavelength.
Der Graph e verdeutlicht ein für DL-3.4-MDEA charakteristisches Remissionslichtspektrum bei einer Konzentration von 500 ng/ml. Der Graph e zeichnet sich aus durch ein lokales Minima bei einer Wellenlänge im Bereich von 255nm. Bei einer Wellenlänge im Bereich von 286nm ergibt sich ähnlich wie bei DL-MDMA (500 ng/ml) ein lokales Maximum. Jenseits einer Wellenlänge von 310nm liegt die optische Dichte des Remissionslichtes für DL- 3,4-MDEA (500 ng/ml) nahezu bei 0. Der Graph f beschreibt den Verlauf des Remissionslichtspektrums für D- Metamphetamin (500ng/ml). Bei einer Wellenlänge von 254nm ergibt sich ein lokales Maximum. Bei einer Wellenlänge von 257nm ergibt sich ein lokales Minimum. Bei einer Wellenlänge von 260nm ergibt sich ein absolutes Maximum. Bei Wellenlängen von 265nm sowie 269nm ergeben sich hinsichtlich der Ableitung der optischen Dichte über der Wellenlänge Maxima.The graph e shows a reflection light spectrum characteristic of DL-3.4-MDEA at a concentration of 500 ng / ml. The graph e is characterized by a local minimum at a wavelength in the range of 255 nm. At a wavelength in the range of 286nm, a local maximum results similar to DL-MDMA (500 ng / ml). Beyond a wavelength of 310 nm, the optical density of the remission light for DL-3,4-MDEA (500 ng / ml) is almost 0. Graph f describes the course of the reflectance light spectrum for D-metamphetamine (500ng / ml). At a wavelength of 254nm there is a local maximum. At a wavelength of 257nm there is a local minimum. At a wavelength of 260nm there is an absolute maximum. At wavelengths of 265nm and 269nm there are maxima with regard to the derivation of the optical density over the wavelength.
Graph g zeigt ein für ein DL-Amphetamin bei einer Konzentration von 500 ng/ml signifikantes Remissionslichtspektrum. Signifikant ist ein bei einer Wellenlänge von 270nm liegendes lokales Minima, sowie ein bei einer Wellenlänge von 262nm liegendes Minimum und ein bei einer Wellenlänge von 312nm liegendes Maximum.Graph g shows a reflectance light spectrum that is significant for a DL-amphetamine at a concentration of 500 ng / ml. Significant is a local minimum at a wavelength of 270nm, a minimum at a wavelength of 262nm and a maximum at a wavelength of 312nm.
Fig. 5 zeigt das Remissionslichtspektrum für mehrere, zur Gruppe der Benzodiazepine gehörende psychoaktiven Substanzen. Graph h beschreibt das Remissionslichtspektrum für Desmethyldiazepam in einer Konzentration von 500 ng/ml. Charakteristisch für diese Substanz ist insbesondere das Spektrum im Bereich von 240 bis 300nm. So ergibt sich bei einer Wellenlänge von 254nm ein lokales Minimum und bei einer Wellenlänge von 282nm ein absolutes Maximum. Jenseits einer Wellenlänge von 294nm zeigt diese Substanz keinen Spektralanteil.5 shows the reflectance light spectrum for several psychoactive substances belonging to the group of benzodiazepines. Graph h describes the reflectance light spectrum for desmethyldiazepam in a concentration of 500 ng / ml. The spectrum in the range from 240 to 300 nm is particularly characteristic of this substance. This results in a local minimum at a wavelength of 254nm and an absolute maximum at a wavelength of 282nm. Beyond a wavelength of 294nm, this substance shows no spectral component.
Der Graph i beschreibt den Verlauf eines für Flunitrazepam (500ng/ml) charakteristischen Verlauf des Remissionslichtspektrums.The graph i describes the course of a course of the remission light spectrum which is characteristic of flunitrazepam (500ng / ml).
Der Graph j zeigt den Verlauf des Remissionslichtspektrums für α-Hydroxy- Alprazolam.Graph j shows the course of the reflectance light spectrum for α-hydroxy-alprazolam.
Der Graph k zeigt das Remissionslichtspektrum für Lorazepam in einer Konzentration von 500 ng/ml. Der Graph I zeigt den Verlauf für Oxazepam in einer Konzentration von (500 ng/ml).The graph k shows the reflectance light spectrum for lorazepam in a concentration of 500 ng / ml. Graph I shows the course for oxazepam in a concentration of (500 ng / ml).
Der Graph m zeigt den Verlauf des Remissionslichtspektrums für Nitrazepam (500 ng/ml).The graph m shows the course of the reflectance light spectrum for nitrazepam (500 ng / ml).
Der Graph n zeigt den Verlauf des Remissionslichtspektrums in einem Wellenlängenbereich von 240 bis 400nm für Nor-Diazepam ebenfalls in einer Konzentration von 500 ng/ml.The graph n shows the course of the reflectance light spectrum in a wavelength range from 240 to 400 nm for nor-diazepam also in a concentration of 500 ng / ml.
Hinsichtlich der für die einzelnen Remissionlichtspektren charakteristischen Merkmale wird ausdrücklich auf die Fig. 2 verwiesen. Die Erkennung der in vitalem Gewebe befindlichen psychoaktiven Substanzen erfolgt vorzugsweise durch kombinierte Anwendung mehrerer Korrelationskriterien.With regard to the characteristics characteristic of the individual reflectance light spectra, reference is expressly made to FIG. 2. The psychoactive substances in vital tissue are preferably identified by the combined use of several correlation criteria.
Es ergeben sich insbesondere dann die Detektierbarkeit und eindeutige Zuordnungen eines Spektrums zu einer Substanz oder einer Substanzgruppe, wenn paarweise Gradienten der gewichteten, nicht-linearen Ableitungen z.B. für die Gruppe des Kokains und der Ecgonine, die Gruppe der Amphetamine und die Gruppe der Cannabinoide gebildet werden. Wenn diese Gradientenbildung ergibt, dass für jeweils eine Substanz oder eine chemisch verwandte Substanzgruppe Absorbtionsmaxima bei bestimmten, für diese Substanz oder Substanzgruppe charakteristischen Wellenlängen nachweisbar sind, dann sind diese Maxima Resultat gleicher Substanzen oder Substanzgruppen.The detectability and clear assignments of a spectrum to a substance or a group of substances result in particular when paired gradients of the weighted, non-linear derivatives, e.g. for the group of cocaine and ecgonine, the group of amphetamines and the group of cannabinoids. If this gradient formation shows that absorption maxima at specific wavelengths that are characteristic of this substance or group of substances can be detected for each substance or a chemically related group of substances, then these maxima are the result of identical substances or groups of substances.
Durch die erfindungsgemäße Generierung eines Remissionlichtspektrums wird es möglich, psychoaktive Substanzen in äußerst geringen Stoffkonzentrationen zuverlässig zu detektieren. Es ist möglich, die sich zu einem Gesamtremissionslichtspektrum überlagernden Einzelspektren eindeutig zu trennen. Die Auswertungsergebnisse stehen nach kürzester Auswertungszeit zur Verfügung. Die Aufzeichnung des Remissionlichtspektrums kann in vorteilhafter Art auf nicht-invasive Weise erfolgen. Damit ergibt sich ein kostengünstiges und besonders aussagefähiges Screening-Verfahren zum Psychopharmaka (Neuroleptika, Antidepressiva, Sedativa und Hypnotika) Antiepileptika und Antibiotika sowie deren Metabolite.The generation of a reflectance light spectrum according to the invention makes it possible to reliably detect psychoactive substances in extremely low substance concentrations. It is possible to clearly separate the individual spectra that overlap to form a total emission light spectrum. The evaluation results are available after the shortest evaluation time. The reflection light spectrum can advantageously be recorded in a non-invasive manner. This results in a inexpensive and particularly informative screening process for psychotropic drugs (neuroleptics, antidepressants, sedatives and hypnotics), antiepileptics and antibiotics and their metabolites.
Durch das erfindungsgemäße Selektionsverfahren wird die Möglichkeit geschaffen, das Vorhandensein von illegalen Drogen und Arzneimitteln der genannten Arzneimittelgruppen im menschlichen Organismus ohne Blutabnahme, Haaranalyse oder Urinuntersuchungen nachzuweisen. Aus den im Zusammenhang mit der Erprobung der erfindungsgemäßen Lösung durchgeführten Untersuchungen ergibt sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren sich zur Routineerfassung illegaler Substanzen im Blut eignet. Das durch eine vergleichsweise kostengünstig aufgebaute Hardware durchführbare Analyseverfahren eignet sich damit für Routinekontrollen im Straßenverkehr, zum Nachweis von illegalen Drogen und anderen, die Fahrtauglichkeit einschränkenden Medikamenten und psychoaktiven Substanzen.The selection method according to the invention creates the possibility of proving the presence of illegal drugs and medicaments of the named pharmaceutical groups in the human organism without taking blood, hair analysis or urine tests. The investigations carried out in connection with the testing of the solution according to the invention show that the method according to the invention is suitable for routine detection of illegal substances in the blood. The analysis method, which can be carried out by means of a comparatively inexpensive hardware, is therefore suitable for routine checks in road traffic, for the detection of illegal drugs and other drugs and psychoactive substances that restrict the ability to drive.
Da durch das erfindungsgemäße Verfahren, sowohl die Substanzen an sich als auch deren Konzentration auf zuverlässige Weise ermittelt werden können, wird eine qualitative Unterscheidbarkeit auch innerhalb von Substanzgruppen ermöglicht. Insbesondere ist es auch möglich, Metabolite der psychoaktiven Substanzen zuverlässig zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich in dieser Hinsicht insbesondere zur Detektion von Cannabinoiden, Amphetaminen und Kokain. Insbesondere in einer für die Straßenverkehrstauglichkeit eines Menschen relevanten Konzentration, können die psychoaktiven Substanzen routinemäßig durch Belichtung der Haut der zu untersuchenden Person nachgewiesen werden. Weitere Anwendungsgebiete sind die Spiegelkontrolle von Antiepileptika, welche spiegelkontrolliert beim Menschen eingesetzt werden. Drugmonitoring gestützte pharmakotherapeutische Interventionsmöglichkeiten sind auf dem Gebiet der Antibiotikatherapie und der Drugmonitoring gestütztenSince both the substances themselves and their concentration can be determined in a reliable manner by the method according to the invention, a qualitative differentiation is also possible within substance groups. In particular, it is also possible to reliably detect metabolites of the psychoactive substances. In this regard, the method according to the invention is particularly suitable for the detection of cannabinoids, amphetamines and cocaine. In particular in a concentration relevant to a person's suitability for road traffic, the psychoactive substances can be routinely detected by illuminating the skin of the person to be examined. Other areas of application are the level control of antiepileptics, which are used in humans in a level-controlled manner. Drug monitoring-supported pharmacotherapeutic intervention options are supported in the field of antibiotic therapy and drug monitoring
Psychopharmakotherapie mit Neuroleptika und Antidepressiva. Die sich hieraus ergebenden individuellen Dosierungsmöglichkeiten bilden als solche die Grundlage für eine individuell abgestimmte medikamentöse Therapie. Eine derartige Therapie kann auch für sich gesehen erfindungswesentlich sein. Die Risiken von Über- und Unterdosierungen werden auf diese Weise ausgeschaltet.Psychopharmacotherapy with neuroleptics and antidepressants. The resulting individual dosage options form as such Basis for an individually tailored drug therapy. Such a therapy can also be essential to the invention in itself. This eliminates the risks of overdosing and underdosing.
Eine besonders zuverlässige Auswertung der in-vivo aufgenommenen Reflexionsspektren erfolgt vorzugsweise durch eine zentrale Auswertungseinheit. Die hinsichtlich des aufgenommenenA particularly reliable evaluation of the reflection spectra recorded in vivo is preferably carried out by a central evaluation unit. With regard to the recorded
Remissionlichtspektrums indikativen Datensätze können hierbei über eine mobile Kommunikationseinrichtung an einen zentralen Rechner, gegebenenfalls über das Internet weitergeleitet werden. An Hand des zentralen Rechners können umfangreiche Korrelationalgorithmen abgearbeitet werden, um aus dem Remissionslichtspektrum die Art und die Konzentration etwaiger unzulässiger Substanzen im menschlichen Organismus zu errechnen. Hierbei ist es möglich bekannte Matrix-Effekte ebenfalls zu berücksichtigen.Reflective light spectrum indicative data records can be forwarded to a central computer, possibly via the Internet, via a mobile communication device. Using the central computer, extensive correlational algorithms can be processed in order to calculate the type and concentration of any impermissible substances in the human organism from the reflected light spectrum. It is also possible to take known matrix effects into account.
Auf Grund der durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich werdenden Erfassung und Quantifizierung der Substanzgruppen wird es möglich, den momentanen physiologischen Zustand der zu untersuchenden Person zu beurteilen. Es hat sich gezeigt, dass es durch das erfindungsgemäße Verfahren auch möglich wird, Metabolite der psychoaktiven Substanzen transdermal im Kapillarbett zuverlässig zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem Prinzip, dass Licht unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich tief in das belebte Gewebe eindringt. Insbesondere dringt längerwelliges (energieärmeres) Licht tiefer als kürzerwelliges (energiereicheres) Licht in das Gewebe ein. Dies bedeutet, dass kurzwelliges Licht an der gleichen Meßstelle weniger Substanz erreicht als langwelliges Licht. Innerhalb des Spektrums vom kurzwelligen zum langwelligen Licht, erhält man einen Konzentrationsgradienten. Das erfindungsgemäße Messverfahren zur Bestimmung der Konzentration von psychoaktiven Substanzen, insbesondere Chromophoren im Gewebe nutzt in vorteilhafter Weise diesen Effekt. Wird nun die gleiche Meßstelle mit Licht unterschiedlicher Intensität beleuchtet, so erhält man Spektren die aus unterschiedlichen Tiefen stammen. Werden diese Spektren entsprechend gewichtet und voneinander subtrahiert, so erhält man die Konzentration bestimmter Stoffe in Abhängigkeit von der Tiefendifferenz.On the basis of the detection and quantification of the substance groups made possible by the method according to the invention, it becomes possible to assess the current physiological state of the person to be examined. It has been shown that the method according to the invention also makes it possible to reliably detect metabolites of the psychoactive substances transdermally in the capillary bed. The method according to the invention is based on the principle that light of different wavelengths penetrates the living tissue to different depths. In particular, longer-wave (low-energy) light penetrates deeper into the tissue than shorter-wave (higher-energy) light. This means that short-wave light reaches less substance at the same measuring point than long-wave light. A concentration gradient is obtained within the spectrum from short-wave to long-wave light. The measurement method according to the invention for determining the concentration of psychoactive substances, in particular chromophores in the tissue, advantageously uses this effect. If the same measuring point is now illuminated with light of different intensities, spectra are obtained which come from different depths. If these spectra are weighted accordingly and subtracted from one another, the concentration of certain substances is obtained as a function of the depth difference.
Das heißt, zu jeder Konzentrationsänderung gehört auf einer definierten Wellenlänge, welche nur innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereiches, der für die Substanz charakteristisch ist, eine definierte Intensitätsänderung. Unter der Annahme, dass die optischen Eigenschaften des den Stoff umgebenden Gewebes konstant sind, kann unmittelbar aus den Intensitäts- und den Verteilungsdifferenzen der zugehörige Lichtweg bestimmt werden. Einer Verteilungsdifferenz entspricht damit in vorteilhafter Weise eine bestimmte Konzentrationsdifferenz. Aus der zur Konzentrationsdifferenz gehörenden Lichtintensitätsdifferenz, kann nach dem Lambert-Beerschen Gesetz, der Weg bestimmt werden.This means that every change in concentration includes a defined change in intensity over a defined wavelength, which is only within a certain wavelength range that is characteristic of the substance. Assuming that the optical properties of the tissue surrounding the material are constant, the associated light path can be determined directly from the intensity and distribution differences. A distribution difference thus advantageously corresponds to a specific concentration difference. The path can be determined according to the Lambert-Beer law from the difference in light intensity belonging to the concentration difference.
Die Annahme von konstanten optischen Eigenschaften des Gewebes im Messvolumen wurde vorrangehend nur zur Vereinfachung angenommen. Durch entsprechend differenzierte Algorithmen können auch Veränderungen der optischen Eigenschaften des den Stoff umgebenden Gewebes mit berücksichtigt werden, wie dies in der Praxis häufig zutrifft.The assumption of constant optical properties of the tissue in the measurement volume was mainly assumed for the sake of simplicity. Appropriately differentiated algorithms can also take into account changes in the optical properties of the tissue surrounding the fabric, as is often the case in practice.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird es möglich, im Stratum Corneum, in der Epidermis und bis in die Dermis hinein, Substanzen qualitativ auch bei inhomogener Verteilung in einem Messvolumen von etwa 10 μm Dicke zu bestimmen. Damit ist diese Methode geeignet, in definierte Eindringtiefe quantitative Aussagen über die Konzentration einer Substanz zu machen. Die Tiefenauflösung beträgt vorzugsweise ca. 8 μm. Hierdurch wird es möglich, die Haut in Schichtdicken von 8 μm von außen nach innen hinein, quantitativ und nicht-invasiv spektroskopisch zu untersuchen. Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt gemäß der Erfindung durch ein Spektral-Photometer, dessen spektrale Auflösung 0,33nm beträgt. Dadurch wird es möglich, je nm 3 Messungen durchzuführen, so dass jedes Spektrum in sehr kleinen Abständen aufgelöst und berechnet werden kann. Hierdurch wird es möglich, Substanzen mit ähnlichen Spektren voneinander zu unterscheiden. Diese hohe Auflösung kann in vorteilhafter Weise durch ein CCD-Array mit 2048 Zellen erreicht werden.The method according to the invention makes it possible, in the stratum corneum, in the epidermis and down to the dermis, to determine substances qualitatively even with an inhomogeneous distribution in a measuring volume of about 10 μm thickness. This method is therefore suitable for making quantitative statements about the concentration of a substance in a defined depth of penetration. The depth resolution is preferably approximately 8 μm. This makes it possible to examine the skin in layers of 8 μm from the outside in, quantitatively and non-invasively by spectroscopy. According to the invention, the method according to the invention is carried out by a spectral photometer whose spectral resolution is 0.33 nm. This makes it possible to carry out 3 measurements per nm, so that each spectrum can be resolved and calculated at very small intervals. This makes it possible to distinguish substances with similar spectra from one another. This high resolution can advantageously be achieved by a CCD array with 2048 cells.
Die Generierung, des auf die zu untersuchende Person abgestrahlten Lichtes, erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer Deuterium-Lampe und einer Halogenlampe, die ausreichend Licht im Bereich von 200 bis 800nm zur Verfügung stellen. Es hat sich gezeigt, dass die in-vivo vorkommenden Drogenmengen im Gewebe etwa 0,05% der Gesamtabsorption betragen. Die Intensitätsschwankungen des emittierten Lichtes der Lampe sollten daher erheblich kleiner sein als die Absorptionsänderungen durch die Drogen. Die Spannungs- und Stromstabilität der Lampe beträgt vorzugsweise weniger als 6 x 10" 6 (p-p) und die Strom- und Spannungsdrift ist vorzugsweise kleiner als 0,01% pro Stunde.The generation of the light emitted onto the person to be examined is preferably carried out using a deuterium lamp and a halogen lamp, which provide sufficient light in the range from 200 to 800 nm. It has been shown that the in-vivo drug quantities in the tissue amount to approximately 0.05% of the total absorption. The intensity fluctuations of the emitted light from the lamp should therefore be considerably smaller than the absorption changes due to the drugs. The voltage and current stability of the lamp is preferably less than 6 x 10 "6 (pp) and the current and voltage drift is preferably less than 0.01% per hour.
Um die Lichtintensität zu verändern, kann in vorteilhafter Weise ein Abschwächelement verwendet werden, das mit Hilfe einer mechanisch verstellbaren Blende die Intensität des einfallenden Lichtes kontinuierlich verändern kann. Über einen SMA-Stecker wird die Lichtquelle über ein Lichtleiterkabel mit dem Abschwächer verbunden. Durch eine Optik kann paralleles Licht auf den Ausgang des Abschwächers projiziert werden, der ebenfalls von einem SMA-Stecker gebildet wird. Von hier aus gelangt das Licht über einen Lichtleiter zum Objekt. Zwischen den beiden SMA-Steckern befindet sich vorzugsweise eine Blende, die mit einem Schrittmotor verstellt werden kann. Die Blendenöffnung ist vorzugsweise derart berechnet, dass beim Abblenden die Lichtcharakteristik nicht wesentlich beeinflußt wird. Der Schrittmotor wird vorzugsweise von einem Rechner gesteuert, in dem sich auch die optische Aufnahmeeinheit befindet. Der Motor ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieser 10.000 Schritte pro Umdrehung durchführen kann. Damit wird eine hinreichend feinstufige Veränderung der Lichtintensität möglich, um eine ausreichende Ortsauflösung in unterschiedlichen Tiefen zu erreichen.In order to change the light intensity, an attenuation element can be used in an advantageous manner, which can continuously change the intensity of the incident light with the aid of a mechanically adjustable diaphragm. The light source is connected to the attenuator via an optical fiber cable using an SMA connector. An optical system can be used to project parallel light onto the output of the attenuator, which is also formed by an SMA connector. From here, the light reaches the object via a light guide. There is preferably an aperture between the two SMA plugs, which can be adjusted with a stepper motor. The aperture opening is preferably calculated in such a way that the light characteristic is not significantly influenced during the dimming. The stepper motor is preferably controlled by a computer, which also the optical recording unit is located. The motor is preferably designed such that it can carry out 10,000 steps per revolution. This enables a sufficiently fine-step change in the light intensity in order to achieve sufficient spatial resolution at different depths.
Alternativ zu der vorangehend beschriebenen Maßnahme ist es auch möglich, durch den Einsatz von LED-Strahlern definierte Änderungen der Lichtintensität zu erreichen ohne dass sich hierbei die Abstrahleigenschaften des emittierten Lichtes verändern. Die vorrangehend beschriebene, durch beispielsweise einen Schrittmotor erreichte Ansteuerung der Blende kann hierbei entfallen.As an alternative to the measure described above, it is also possible to use LED spotlights to achieve defined changes in the light intensity without changing the emission properties of the emitted light. The above-described control of the diaphragm, achieved for example by means of a stepper motor, can be omitted here.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine Auflichtmessung an der menschlichen Haut wurde ein Sensorkopf entwickelt. Dieser besitzt vorzugsweise 19 Lichtleiter, die das Licht auf die Haut bringen. 4 Lichtleiter sammeln das reflektierte Licht und leiten es zu dem Eintrittsspaltbereich der Messeanordnung. Der Lichtkegel trifft auf das Rowland- Gitter und wird durch dieses spektral zerlegt. Durch eine Führungseinrichtung wird eine Photodiode auf dem Rowland-Kreis durch das abgestrahlte, spektral zerlegte Licht geführt. Während der Führung der Photodiode wird laufend die gemessene Lichtintensität unter Zuordnung zur Erfassungsposition der Diode, bzw. der hieraus errechneten Wellenlänge gespeichert. Durch die Berücksichtigung des Kennfeldes der Diode wird es möglich, durch diese Messanordnung die Spektralverteilung auf dem Rowlandkreis mit hoher Schärfe zu ermitteln.A sensor head was developed for carrying out the method according to the invention by measuring the incident light on human skin. This preferably has 19 light guides that bring the light onto the skin. 4 light guides collect the reflected light and guide it to the entrance slit area of the exhibition arrangement. The cone of light hits the Rowland grating and is spectrally broken down by it. A guide device guides a photodiode on the Rowland circle through the emitted, spectrally split light. While the photodiode is being guided, the measured light intensity is continuously stored, with assignment to the detection position of the diode or the wavelength calculated from it. By taking the characteristic diagram of the diode into account, it is possible to determine the spectral distribution on the Rowland circle with high sharpness using this measuring arrangement.
Eine weitere Steigerung der Qualität der Meßwerte kann erreicht werden, indem ein dem Eintrittsspalt vorgelagerter Lichtleiter verwendet wird, der eine nochmals größere Zahl von Lichtleitern, beispielsweise 70 Lichtleiteradern umfasst, wodurch eine noch homogenere Beleuchtung des Gewebes ermöglicht wird. lllegale Drogen, Psychopharmaka (Neuroleptika, Antidepressiva, Sedativa und Hypnotika) Antiepileptika und Antibiotika können durch das erfindungsgemäße Verfahren nachgewiesen werden, da sich gezeigt hat, dass insbesondere in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 800nm eine Vielzahl dieser Substanzen eine deutliche Veränderung des in-vivo gewonnenen Remissionslichtspektrums verursacht. Auf Grundlage von vorzugsweise hinsichtlich der nachzuweisenden Substanzen generierten Reinspektren sowie unter Berücksichtigung deren Lösungsverhaltens, durch Brücksichtigung des Einflusses der Lösungsmittel auf etwaige Verschiebungen der Remissionslichtspektren, durch Berücksichtigung von Photoeffekten, spektroskopisch relevanten Interaktionen zwischen den jeweiligen Substanzen, deren Absorptionseigenschaften in verschieden physiologischen Medien und ihren transkutanen Messeigenschaften wird es möglich, die Aussagefähigkeit des Analyseergebnisses noch weiter zu steigern.A further increase in the quality of the measured values can be achieved by using a light guide upstream of the entrance slit, which comprises an even larger number of light guides, for example 70 light guide wires, which enables an even more homogeneous illumination of the tissue. Illegal drugs, psychotropic drugs (neuroleptics, antidepressants, sedatives and hypnotics). Antiepileptics and antibiotics can be detected by the method according to the invention, since it has been shown that a large number of these substances, in particular in a wavelength range from 200 to 800 nm, clearly change the in vivo obtained Remission light spectrum caused. On the basis of pure spectra preferably generated with regard to the substances to be detected and taking into account their solution behavior, by taking into account the influence of the solvents on any shifts in the reflectance light spectra, by taking into account photo effects, spectroscopically relevant interactions between the respective substances, their absorption properties in different physiological media and their transcutaneous Measurement properties make it possible to further increase the meaningfulness of the analysis result.
Nachweis von Methadon/PolamidonDetection of methadone / polamidone
Methadon kommt in zwei stereo-enantiomeren Formen vor. Die eine Molekülform- im folgenden D-Methadon genannt- dreht polarisiertes Licht nach rechts, die andere - im folgenden L-Polamidon genannt - nach links. Die analgetisch und entzugskompensatorisch wirksame Form ist vorwiegend die L- Form. Da in der medizinisch/therapeutischen Praxis sowohl ein Gemisch aus beiden wie auch das L-Polamidon als Reinform vorkommen, ist es wichtig, die beiden Methadone unterscheiden zu können.Methadone occurs in two stereo-enantiomeric forms. One molecular form - hereinafter referred to as D-methadone - turns polarized light to the right, the other - hereinafter referred to as L-polamidone - to the left. The analgesic and withdrawal compensatory form is predominantly the L form. Since in medical / therapeutic practice both a mixture of both and the L-polamidone occur as a pure form, it is important to be able to distinguish between the two methadones.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann wie folgt durchgeführt werden:The method according to the invention can be carried out as follows:
Zur Untersuchung einer Person wird auf deren Hautfläche, beispielsweise im Innenarmbereich ein Sensorkopf aufgesetzt, durch welchen Licht in einemTo examine a person, a sensor head is placed on their skin surface, for example in the inner arm area, through which light in a
Wellenlängenbereich von 240 bis 800nm in die Haut hinein eingestrahlt wird.Wavelength range of 240 to 800nm is radiated into the skin.
Das hierbei aus einem bestimmten Hauttiefenabschnitt aus der Haut zurückgeworfene Licht wird über eine Lichtleitereinrichtung erfasst und einem erfindungsgemäßen Spektrometer zugeführt. Das Spektrum des über den Lichtleiter aufgefangenen Remissionslichtes wird aufgezeichnet. Das aufgezeichnete Spektrum wird durch eine Rechnereinrichtung einer mathematischen Auswerteprozedur unterzogen. Diese mathematischen Auswerteprozedur berücksichtigt vorzugsweise bestimmteThis from a certain section of skin depth from the skin reflected light is detected by an optical fiber device and fed to a spectrometer according to the invention. The spectrum of the remission light collected via the light guide is recorded. The recorded spectrum is subjected to a mathematical evaluation procedure by a computer device. This mathematical evaluation procedure preferably takes into account certain ones
Korrelationseigenschaften zwischen Spektren die für eine Vielzahl von potentiell relevanten Drogen und Medikamenten indikativ sind. Da das durch die Spektrometereinrichtung erfasste Remissionslichtspektrum sowohl für die Art der mit dem Licht in Wechselwirkung getretenen Substanz als auch eindeutig für deren Konzentration ist, ist es möglich an Hand der für eine Vielzahl von Substanzen vorhandenen Referenzspektren, Art und Konzentration der nachzuweisenden Substanzen aus dem Remissions- Lichtspektrum zu errechnen.Correlation properties between spectra that are indicative of a large number of potentially relevant drugs and medications. Since the reflectance light spectrum recorded by the spectrometer device is both for the type of substance that has interacted with the light and for its concentration, it is possible to use the reference spectra for a large number of substances, the type and concentration of the substances to be detected from the remission - Calculate light spectrum.
Sowohl die Lichtquelle zur Generierung des Untersuchungslichtes als auch der Sensorkopf zur Aufnahme des Remissionslichtes sind einschließlich des Spektrometers vorzugsweise als mobile Handgeräte aufgebaut. Es ist möglich, zur Auswertung des aufgezeichneten Remissionlichtspektrums dieses beispielsweise über ein mobiles Kommunikationssystem an eine zentrale Auswertungseinheit weiterzuleiten. Die Auswertung des derart weitergeleiteten Remissionslichtspektrums kann dann auf Grundlage eines umfassenden Datensatzes sowie durch eine leistungsfähige Hardware ausgewertet werden. Das derart gewonnene Auswertungsergebnis kann dann beispielsweise als SMS-Datensatz in den Bereich der Erfassungseinrichtung zurück übertragen werden.Both the light source for generating the examination light and the sensor head for receiving the remission light, including the spectrometer, are preferably constructed as mobile handheld devices. For the evaluation of the recorded reflection light spectrum, it is possible to forward this to a central evaluation unit, for example via a mobile communication system. The evaluation of the reflected light spectrum transmitted in this way can then be evaluated on the basis of a comprehensive data set and by means of powerful hardware. The evaluation result obtained in this way can then be transmitted back, for example, as an SMS data record to the area of the detection device.
Es ist auch möglich, Detektion und Auswertung online am Untersuchungsgerät selbst, etwa im Straßenverkehr, in Arztpraxen oder in stationären Behandlungseinrichtungen von Krankenhäusern durchzuführen. In diesem Fall erhält der Untersucher direkt die Meßergebnisse über eine angeschlossene Druckereinrichtung ausgedruckt. Desweiteren können Sauerstoffbestimmungen intraoperativ online durchgeführt werden, ohne daß invasive blutgasanalytische Sauerstoffmessungen nötig sind.It is also possible to carry out detection and evaluation online on the examination device itself, for example in traffic, in medical practices or in inpatient treatment facilities in hospitals. In this case, the examiner receives the measurement results printed out directly via a connected printer device. Furthermore, oxygen determinations can be carried out intraoperatively online without the need for invasive blood gas analytical oxygen measurements.
In der Kinderheilkunde können Sauerstoff, Hämoglobin und Medikamentenspiegel bestimmt werden, ohne daß traumatisierende und technisch umständliche Blutabnahmen erforderlich sind.In pediatrics, oxygen, hemoglobin and drug levels can be determined without the need for traumatic and technically cumbersome blood tests.
In der Notfallmedizin können akute Intoxikationen von Drogen und Medikamenten in kürzester Zeit diagnostiziert und früher als bisher spezifisch behandelt werden. In emergency medicine, acute intoxication of drugs and medication can be diagnosed in a very short time and treated earlier than before.

Claims

Pate n ta n s p rü c h e Pate n ta nsp rue
1. Spektrometrische Messanordnung umfassend: - eine Eintrittsspalteinrichtung, zur Gestattung des Durchtritts von zu untersuchender Strahlung; - eine der Eintrittsspalteinrichtung zugeordnete Rowland-Gittereinrichtung, zur Reflektion auftreffender Strahlung unter spektraler Auffächerung derselben; - einer Erfassungseinrichtung, zur Erfassung eines schmalen Ausschnitts des durch die Rowland-Gittereinrichtung aufgefächerten Spektrums; und - einer Führungseinrichtung zur Führung der Erfassungseinrichtung durch das aufgefächerte Spektrum; - wobei die Führungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese die Erfassungseinrichtung auf einer Detektionsbahn von im wesentlichen konstanter spektraler Schärfe bewegt.1. Spectrometric measuring arrangement comprising: an entry slit device for permitting the passage of radiation to be examined; a Rowland grating device assigned to the entrance slit device, for reflection of incident radiation while spectrally fanning it out; a detection device for detecting a narrow section of the spectrum fanned out by the Rowland grating device; and a guide device for guiding the detection device through the fanned spectrum; - The guide device is designed such that it moves the detection device on a detection path of substantially constant spectral sharpness.
2. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung als Photodiode ausgebildet ist.2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the detection device is designed as a photodiode.
3. Messanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Photodiode mit einer Blenden- oder Fokussieroptik versehen ist.3. Measuring arrangement according to claim 2, characterized in that the photodiode is provided with an aperture or focusing optics.
4. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung als CCD-Erfassungseinrichtung ausgebildet ist.4. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the detection device is designed as a CCD detection device.
5. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsbahn im wesentlichen konzentrisch zum5. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that the detection path is substantially concentric with
Mittelpunkt eines durch die Rowland-Gittereinrichtung definerten Rowlandkreises verläuft. The center of a Rowland circle defined by the Rowland grating device runs.
6. Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsbahn auf dem Rowland-Kreis verläuft.6. Measuring arrangement according to claim 5, characterized in that the detection path runs on the Rowland circle.
7. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung eine Antriebseinrichtung umfasst.7. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that the guide device comprises a drive device.
8. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung einen Stelltrieb umfasst.8. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the drive device comprises an actuator.
9. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung einen Motor, insbesondere Stelloder Schrittmotor umfasst.9. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the drive device comprises a motor, in particular a servo or stepper motor.
10. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung einen Elektromagneten umfasst.10. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the drive device comprises an electromagnet.
11. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung eine Bi-Metall oder SMA-Struktur11. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the drive device is a bimetal or SMA structure
(shape memory alloy- Struktur) umfasst.(shape memory alloy structure).
12. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung als Drehteller- oder Dreharm ausgebildet ist.12. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 11, characterized in that the guide device is designed as a turntable or rotating arm.
13. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Positionsindikationsmittel vorgesehen sind, zur Bestimmung der Position der Erfassungseinrichtung auf ihrer Bahn in Zuordnung zu den erfasssten Messignalen. 13. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 12, characterized in that position indication means are provided for determining the position of the detection device on its path in association with the detected measurement signals.
14. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsindikationsmittel als Inkremental-Drehgeber ausgebildet sind.14. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 13, characterized in that the position indicator means are designed as incremental rotary encoders.
15. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung derart ausgebildet ist, dass diese temporär abfolgende Bahnumläufe veranlasst.15. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 14, characterized in that the guiding device is designed in such a way that it temporarily causes subsequent orbits.
16. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die das Rowlandgitter und die Erfassungseinrichtung umfassende Messanordnung gekapselt ausgebildet ist.16. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 15, characterized in that the measuring arrangement comprising the Rowland grating and the detection device is encapsulated.
17. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Speichereinrichtung umfasst, zur Aufzeichnung der erfassten Messignale.17. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 16, characterized in that the device comprises a storage device for recording the detected measurement signals.
18. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Messignale unter Zuordnung zu ihrer Wellenlänge aufgezeichnet werden.18. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 17, characterized in that the measuring signals are recorded with assignment to their wavelength.
19. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die zuzuordnende Wellenlänge über die Position der Erfassungseinrichtung bestimmt wird.19. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 18, characterized in that the wavelength to be assigned is determined via the position of the detection device.
20. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zuzuordnende Wellenlänge durch pulsweise Einstrahlung eines Referenzspektrums und Auswertung des Intensitätssignales ermittelt wird.20. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 19, characterized in that the wavelength to be assigned is determined by pulsed irradiation of a reference spectrum and evaluation of the intensity signal.
21. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 20, zur Erfassung von Stoffen im vitalen Gewebe, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung von Licht definierter Wellenlänge und Aufstrahlung des Lichtes auf das vitale Gewebe derart, daß das Licht in das Gewebe eindringt, einer Lichterfassungseinrichtung zur Erfassung zumindest eines Teiles des aus dem Gewebe remittierten/reflektierten Lichtes, einer21. Measuring arrangement according to at least one of claims 1 to 20, for detecting substances in vital tissue, with a light source for generating light of a defined wavelength and irradiating the light on the vital Tissue in such a way that the light penetrates the tissue, a light detection device for detecting at least a part of the light remitted / reflected from the tissue, one
Lichtintensitätserfassungseinrichtung zur Erfassung der Intensität des remittierten/reflektierten Lichtes unter Zuordnung zur Wellenlänge, und einer Korrelationsbestimmungseinrichtung zum Bestimmen vonLight intensity detection device for detecting the intensity of the remitted / reflected light in association with the wavelength, and a correlation determination device for determining
Korrelationsmerkmalen der ermittelten Intensitätsverteilung des Remissions- Spektrums mit wenigstens einem Referenzsystem, wobei auf Grundlage der ermittelten Korrelationsmerkmale auf die Präsenz und/oder Konzentration eines Stoffes geschlossen wird.Correlation features of the determined intensity distribution of the remission spectrum with at least one reference system, the presence and / or concentration of a substance being inferred on the basis of the determined correlation features.
22. Messanordnung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtleitereinrichtung vorgesehen ist, zur Aufleitung des durch die Lichtquelle emittierten Lichtes auf das Gewebe.22. Measuring arrangement according to claim 21, characterized in that a light guide device is provided for guiding the light emitted by the light source onto the tissue.
23. Messanordnung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtleitereinrichtung vorgesehen ist, zur Ableitung des remittierten Lichtes.23. Measuring arrangement according to claim 21 or 22, characterized in that a light guide device is provided for deriving the remitted light.
24. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, zur Erfassung des24. Measuring arrangement according to at least one of claims 21 to 23, characterized in that a device is provided for detecting the
Lichtes aus einer vorgegebenen Messtiefe.Light from a given measuring depth.
25. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Remissionsspektren für unterschiedliche, definierte Meßtiefen erfaßt werden.25. Measuring arrangement according to at least one of claims 21 to 24, characterized in that a plurality of reflectance spectra are recorded for different, defined measuring depths.
26. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine Speichereinrichtung vorgesehen ist, und daß in dieser Speichereinrichtung ein Referenzsystem in Form eines Bezugsdatensatzes abgespeichert ist. 26. Measuring arrangement according to at least one of claims 21 to claim 25, characterized in that a memory device is provided and that a reference system is stored in this memory device in the form of a reference data record.
27. Messanordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugsdatensatz bezüglich der substanzspezifischen Spektren charakteristische Daten enthält.27. Measuring arrangement according to claim 26, characterized in that the reference data set contains characteristic data with respect to the substance-specific spectra.
28. Messanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrelationsbestimmungseinrichtung mehrere Korrellationskriterien zur Analyse der Spektren bereitstellt.28. Measuring arrangement according to at least one of claims 21 to 27, characterized in that the correlation determination device provides several correlation criteria for analyzing the spectra.
29. Verfahren zur Erhebung spekrometrischer Messsignale, bei welchem über eine Eintrittsspalteinrichtung die zu untersuchende Strahlung auf eine Rowland-Gittereinrichtung gerichtet und von dieser unter spektraler Auffächerung abgestrahlt wird, wobei die hinsichtlich der spektralen Verteilung indikativen spektrometrischen Messsignale erfasst werden, indem eine Erfassungseinrichtung unter Verwendung einer Führungseinrichtung auf einer Detektionsbahn von im wesentlichen konstanter spektraler Schärfe durch das aufgefächerte Spektrum geführt wird.29. A method for collecting spectrometric measurement signals, in which the radiation to be examined is directed via an entrance slit device and is radiated by the latter with spectral fanning, the spectrometric measurement signals, which are indicative of the spectral distribution, being recorded by using a detection device Guide device is guided on a detection path of essentially constant spectral sharpness through the fanned spectrum.
30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass während der Führung der Erfassungseinrichtung durch das aufgefächerte Spektrum Intensitätssignale erfasst und unter Zuordnung zu einer Wellenlänge aufgezeichnet werden.30. The method according to claim 29, characterized in that during the guidance of the detection device, intensity signals are detected by the fanned spectrum and recorded with assignment to a wavelength.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten durch die Erfassungseinrichtung aufgezeichnet und einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet werden.31. The method according to claim 30, characterized in that the measurement data are recorded by the detection device and assigned to a specific wavelength.
32. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 31 , dadurch gekennzeichnete, dass eine Lichtquelleneinrichtung vorgesehen ist, zur Beleuchtung einer Probe zur Abgabe des zu untersuchenden Lichts als Remissionsstrahlung. 32. The method according to at least one of claims 29 to 31, characterized in that a light source device is provided for illuminating a sample for emitting the light to be examined as remission radiation.
33. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelleneinrichtung als Diodeneinrichtung ausgebildet ist.33. The method according to at least one of claims 29 to 32, characterized in that the light source device is designed as a diode device.
34. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Diodeneinrichtung gepulst betrieben wird.34. The method according to at least one of claims 29 to 33, characterized in that the diode device is operated in a pulsed manner.
35. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Pulsmusters eine Fremdlichtunterdrückung erfolgt.35. The method according to at least one of claims 29 to 34, characterized in that extraneous light suppression takes place on the basis of the pulse pattern.
36. Verfahren zur Erfassung von Stoffen in vitalem Gewebe, nach wenigstens einem der Ansprüche 29 bis 35, bei welchem Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge derart auf das Gewebe gerichtet wird, dass das Licht in das Gewebe eindringt,36. A method for detecting substances in vital tissue, according to at least one of claims 29 to 35, in which light is directed onto the tissue with a predetermined wavelength such that the light penetrates into the tissue,
- zumindest ein Teil des aus dem Gewebe austretenden Lichtes erfasst wird und das remittierte Licht unter Zuordnung seiner Wellenlänge zur Intensität ermittelt wird, und- At least part of the light emerging from the tissue is detected and the remitted light is determined by assigning its wavelength to the intensity, and
- die derart ermittelten Eigenschaften des remittierten Lichtes mit wenigstens einem Referenzsystem verglichen werden, wobei auf Grundlage einer Korrelation mit dem Referenzsystem auf die Präsenz und/oder Konzentration eines Stoffes geschlossen wird.the properties of the remitted light determined in this way are compared with at least one reference system, the presence and / or concentration of a substance being inferred on the basis of a correlation with the reference system.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Referenzsystem Referenzwerte, die jeweils für einen bestimmten Stoff oder eine Stoffgruppe signifikant sind, bereitgestellt werden und eine Intensitätsverteilung des Lichtes über seiner Wellenlänge mit diesen Referenzwerten verglichen wird.37. The method according to claim 36, characterized in that the reference system provides reference values, each of which is significant for a specific substance or group of substances, and compares an intensity distribution of the light over its wavelength with these reference values.
38. Verfahren nach Anspruch 36 oder 37, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Referenzspektren vorgegeben ist, und daß in Abhängigkeit von der Erfüllung vorgegebener Beziehungen zwischen den mehreren Referenzspektren und der erfassten Intensitätsverteilung auf die Präsenz und/oder Konzentration eines Stoffes oder einer Stoffgruppe geschlossen wird.38. The method according to claim 36 or 37, characterized in that a plurality of reference spectra is predetermined, and that depending on the fulfillment of predetermined relationships between the plurality Reference spectra and the recorded intensity distribution to the presence and / or concentration of a substance or a group of substances.
39. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 36 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß auf Grundlage der Intensität ausgewählter39. The method according to at least one of claims 36 to 38, characterized in that selected based on the intensity
Wellenlängenbereiche auf die Konzentration eines erkannten Stoffes geschlossen wird.Wavelength ranges are concluded on the concentration of a recognized substance.
40. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 36 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Anregungsspektrum im Bereich von 200 bis 800nm liegt.40. The method according to at least one of claims 36 to 39, characterized in that the excitation spectrum is in the range from 200 to 800 nm.
41. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 36 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des zur Anregung herangezogenen Anregungs-Lichtes außerhalb des erfaßten Remissionsspektrums liegt.41. The method according to at least one of claims 36 to 40, characterized in that the frequency of the excitation light used for excitation lies outside the detected reflectance spectrum.
42. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 36 bis 41 , dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich der erfassten Wellenlängen/Instensitäts- Verteilung auf Grundlage einer Korrelationsbetrachtung erfolgt.42. The method according to at least one of claims 36 to 41, characterized in that the comparison of the detected wavelength / intensity distribution is carried out on the basis of a correlation analysis.
43. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 36 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsystem zur Identifikation von psychoaktiven Substanzen vorgesehene Referenzdaten bereitstellt. 43. The method according to at least one of claims 36 to 42, characterized in that the reference system provides reference data provided for the identification of psychoactive substances.
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