Von der dermatologischen Forschung und Anwendung über die instrumentelle Analytik für medizinische Diagnostik (Point-of-care, POCT) bis zur diagnostischen Dokumentation ist ein steigender Bedarf an exakter Farbmessung festzustellen.

Auf einen Blick

Mit optischen Farb-/Spektralmessungen lassen sich Hautveränderungen exakt diagnostizieren. Dafür benötigen Mediziner die passende Geräteausstattung. Der Multiple-Color-Sensor MMCS6 vereinigt die Vorteile von Farbsensoren und Spektrometern; er ist klein, robust, kostengünstig, genau und metameriefrei.

In der Pharmakologie beispielsweise lassen sich Hautzustände oder -veränderungen in Folge von Erkrankungen oder von Umwelteinflüssen mittels optischer Messgeräte exakt ermitteln und dokumentieren. Die Ergebnisse dieser Messungen bilden die Grundlage für das Bewerten und das Vorbereiten einer Behandlung oder deren Einschätzung des Behandlungserfolges sowie der Dokumentation. Dabei liefern Grauwerte, Farben und spektrale Daten mit nachfolgender Analyse, Farb-/Spektralalgorithmen und anwendungsspezifischer Auswertung die Basis für das Anwenden optischer Messverfahren in der Dermatologie sowie im Kosmetikbereich und in ähnlichen Anwendungen.

Verfahren zur Farbmessung

Farbmessaufgaben lassen sich unterschiedlich realisieren. Zum einen gibt es die kompakten Dreibereichsfarbsensoren auf Basis von Halbleiterdioden mit vorgeschalteten Farbfiltern, die für große Stückzahlen und schnelle Messaufgaben konzipiert sind. Mittels herkömmlicher RGB-Filter dienen sie zur einfachen Farbbestimmungen und relativer Farbmessung. Die zweite Gruppe dieser halbleiterbasierenden Sensoren mit XYZ-Filter eignet sich für die absolute Farbmessung nach CIE1931 beziehungsweise DIN5033. Beide Sensortypen funktionieren nach dem kolorimetrischen Prinzip; ihre Ergebnisse sind abhängig von der Lichtquelle und unterliegen damit Metamerieeffekten.

Darüber hinaus gibt es noch Spektrometer, die zwar hochgenau und lichtunabhängig arbeiten, aber dafür auch kostenintensiv und zumeist komplex sind. Systembedingt sind sie langsamer und für schnelle Prozesse nicht ideal geeignet. Wie in vielen Anwendungen wäre auch hier eine Lösung optimal, die die Vorteile beider Technologien verbindet: einerseits sensorisch klein, robust und kostengünstig aber zusätzlich hochgenau und metameriefrei wie die Spektrometer. Diese Lücke schließt der Jencolor Multiple-Color-Sensor MMCS6 für spezifische Anwendungen in der absoluten Farb- und Spektralmessung.

Tabelle 1: Typischer Vergleich der Sensortypen am Beispiel einer Hautmessung.

Tabelle 1: Typischer Vergleich der Sensortypen am Beispiel einer Hautmessung.Mazet

Zum Demonstrieren der Genauigkeitsklassen der oben genannten Sensoren, in Kombination mit einer Weißlicht-LED, sind in Tabelle 1 drei Sensortypen anhand ihrer typischen Messwerte gegenübergestellt. Die verschieden definierte Farbtafeln sind bei der Messung mit einer Weißlicht LED mit lpeak = 450 nm beleuchtet. Die Daten in der rechten Spalte zeigen deutlich, wie die Genauigkeit vom Multiple-Color-Sensor über den True-Color- bis hin zum RGB-Sensor stetig abnimmt (Tabelle 1).

Farbmessung in der Medizin

Nachdem exakte Farbmessungen in der Haut-Diagnostik bisher nur in Laboren mit kostspieligen Spektrometern oder speziellen Messgeräten Verwendung fanden, ermöglichen die Multiple-Color-Sensoren heute die Messung mit Handhelds, die laut Mazet bei gleicher Leistungsfähigkeit kostengünstiger sind. Mit solchen berührungslosen Messsystemen lassen sich Hauterkrankungen wie beispielsweise Psoriasis und Neurodermitis auf Basis des Erythemgrades beurteilen und unter Berücksichtigung von Erythem und Melaningehalt der Hauttyp oder eine Hautrötung beim Epikutan-/Irritationstest bestimmen. Im Bereich der spektralen Hautanalyse mit (Haut-) Farbmanagement erzeugen analoge Sensoraufgaben passende Ergebnisse als Beratungs- und Verlaufshilfsmittel für Rezeptierungen.

Ähnliche Aufgabenstellungen finden sich auch in alternativen Anwendungen der Medizintechnik. Auch hier eignen sich solche Sensoren auf Grund ihres guten Preis-Leistungsverhältnisses mit spektraler Auswertung für labortechnische Messungen oder zur Anwendung in so genannten Minilaboren zur Auswertung von Teststreifen klinisch-chemischer Parameter – wie etwa Glukose, Ascorbinsäure, Ketonkörper, Protein, Ph-Wert, Blut, Nitrit, Leukozyten, Bilirubin oder Urobilinogen – und von medizinischen und Biomarkern wie beispielsweise Schwangerschaftstests, Ovulationstests, Diabetes, infektiöse Erkrankungen und Drogentests.

Bild 1: Der Multiple-Color-Sensor MMCS6 ist ein kompakter und robuster Sensor zur exakten Farbmessung in der Diagnostik.

Bild 1: Der Multiple-Color-Sensor MMCS6 ist ein kompakter und robuster Sensor zur exakten Farbmessung in der Diagnostik.Mazet

Farbsensor: spektral und kolorimetrisch

Den Kern dieser Farbmessgeräte bildet der spektralmessende Jencolor-Farbsensor MMCS6. Der Multiple-Color-Sensor misst spektral selektiv. Seine Daten lassen sich aber auch kolorimetrisch interpretieren. Der Sensor auf Halbleiterbasis mit dünnen optischen Schichten direkt auf dem Sensor (Bild 1) führt die spektrale Farbmessung mittels 6+1 spektraler Kennlinien im sichtbaren Bereich VIS (Visual) durch. Die Bewertung der Farbe findet auf der radiometrischen Ebene statt. Als Ergebnis erhält man wie bei einem Spektrometer das Spektrum einer Farbe, die man dann zum Berechnen des Farbortes innerhalb eines jeden Farbraumes heranzieht. Die Vorteile einer solchen Technik bestehen in einer wesentlich höheren Informationsdichte, was zu genaueren Farbmessungsergebnissen führt. Für die weitere Analytik stehen mit dem Spektrum und dem Farbort damit beide Resultate zur Verfügung.

Bild 2: Mit dem Mehrbereichs-Farbsensor sind Metamerieeffekte messbar, hier am Beispiel von zwei, für das menschliche Auge identischen Farben (RAM-Muster und Inkjet-Druck) mit durch den Sensor unterschiedlich gemessenen Spektren.

Bild 2: Mit dem Mehrbereichs-Farbsensor sind Metamerieeffekte messbar, hier am Beispiel von zwei, für das menschliche Auge identischen Farben (RAM-Muster und Inkjet-Druck) mit durch den Sensor unterschiedlich gemessenen Spektren.Mazet

Der Sensor filtert außerdem beim Erfassen und Bewerten von Farben Metamerieeffekte heraus oder lässt diese messbar werden (Bild 2). Als Metamerieeffekte bezeichnet man in der Optik unterschiedliche Spektren, die beim Menschen bei gleicher Lichtart denselben Farbeindruck erzeugen.

Die sechs spektralen Kennlinien des MMCS6 sind so angeordnet, dass sie sich in ihren Grenzbereichen überlappen. Der Vorteil ist, dass möglichst wenige Lücken im sichtbaren Spektrum vorhanden sind. Somit lässt sich die Fehlinterpretation der Farben minimieren und die Messgenauigkeit erhöhen. Mazet bietet den MMCS6 als Halbleitersensor, auch in Kombination mit Sensorsignalverstärkern und als OEM-Hardwarelösung mit umfangreicher Softwarebibliothek für genaue und schnelle Handheld- oder In-Line-Messungen.

Bild 3: Die spektralen Kennlinien des MMCS6.

Bild 3: Die spektralen Kennlinien des MMCS6.Mazet

Für erste Testmessungen stehen Evaluation-Boards zur Verfügung, die der Anwender über ein einfaches serielles Protokoll in eigene Testsoftware einbinden kann. In der Design-In-Phase unterstützen Simulationen die Applikationen vor dem eigentlichen Entwurf. Sie simulieren neben der Beleuchtung die Farb- und Kalibrieralgorithmen zwecks Systemoptimierung. Alle bisher genannten Komponenten zum MMSC6 stehen als OEM-Module interessierten Gerätentwicklern zur Verfügung, die die Elektronik in ein Gehäuse integriert und mit Software komplettiert zum fertigen Hautfarbmessgerät entwickeln können. Mazet bietet dabei auch Software der Farbmetrik und Kalibrierung an, so dass der Geräteentwickler sich nur auf das Handheld und die Applikation zu konzentrieren braucht.

Signale und ihre Auswertung

Bild 4: Die Sensorspektren erreichen dabei in Abhängigkeit der Interpolationsalgorithmen sehr gute Resultate, verglichen mit dem Ergebnis einer Spektrometermessung.

Bild 4: Die Sensorspektren erreichen dabei in Abhängigkeit der Interpolationsalgorithmen sehr gute Resultate, verglichen mit dem Ergebnis einer Spektrometermessung.Mazet

Der MMCS6-Sensor lässt sich als Inline-Sensor, verbunden mit schnellen Transimpedanzverstärkern und in Kombination mit Weißlicht-LED-Beleuchtung, einsetzen. Zur Signalverarbeitung sind onboard mehrkanalige Transimpendanzverstärker oder Strom-Digitalwandler mit programmierbaren Verstärkerstufen vorhanden. Die Signalauswertung der spektralen Reize erfolgt mittels des Regressionsverfahrens zur spektralen Schätzung. Dabei erreicht man zum Beispiel Genauigkeiten von ∆E00 = 0,72 (kalibriert auf D65 und auf Standardkörperfarben) im laufenden Betrieb, unabhängig von Normalbeobachter und Normbeleuchtung. Testmessungen für dieses Beispiel ergaben Resultate mit einer Abweichung von Cyan ∆E00 = 0,03, Magenta ∆E00 = 0,01, Yellow ∆E00 = 0,09 und für Black ∆E00 = 0,05, verglichen mit einem Spektrometer.