DE69535012T2

DE69535012T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Konzentration von absorbierenden Bestandteilen in einem streuenden Medium

Info

Publication number: DE69535012T2
Application number: DE69535012T
Authority: DE
Inventors: c/o Hamamatsu Photonics K.K. Yutaka Hamamatsu-shi Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1994-09-22
Filing date: 1995-09-22
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2015-09-23
Also published as: EP0703445B1; DE69535012D1; JPH0894517A; EP0703445A2; US5694931A; EP0703445A3; JP2780935B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der absoluten Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium, die so ausgelegt ist, dass zwei oder mehrere Arten Licht mit vorgegebenen Wellenlängen, bei denen die Streukoeffizienten gleich sind oder als gleich angesehen werden, in das streuende Medium, wie beispielsweise lebendes Gewebe, fallen, das verschiedene äußere Formen aufweisen kann, und dass das Licht mit den vorgegebenen Wellenlängen erfasst wird, wenn es sich auf diffuse Weise in dem streuenden Mediums ausgebreitet hat und aus dessen Oberfläche austritt, so dass Lichtmengen und mittlere Laufweglängen (mittlere optische Weglängen) an einer oder mehreren Erfassungspositionen ermittelt werden, wodurch die Konzentration eines spezifischen absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium oder die absolute Menge davon, eine Sauerstoffsättigung von Hämoglobin und des Weiteren eine zeitliche Änderung oder räumliche Verteilung davon mit großer Genauigkeit auf nichtinvasive Weise gemessen werden kann, ohne dass die äußere Form des streuenden Mediums Auswirkungen darauf hat.
STAND DER TECHNIK
Es gibt einen sehr hohen Bedarf für nichtinvasive und genaue Messungen der Konzentration eines bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium, wie beispielsweise lebendem Gewebe, oder der absoluten Menge davon sowie zusätzlich einer zeitlichen Änderung oder räumlichen Verteilung davon, und es sind bisher verschiedene Verfahren entwickelt und Versuche unternommen worden, um diesem Bedarf gerecht zu werden, beispielsweise Verfahren, die Dauerlicht (Dauerstrichlicht) oder moduliertes Licht (beispielsweise gepulstes Licht, Rechteckwellenlicht, sinusmoduliertes Licht usw.) verwenden, Verfahren, die Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwenden, usw.
Innerhalb dieser konventionellen Techniken ist jedoch kein zufriedenstellendes Verfahren oder keine zufriedenstellende Vorrichtung zum genauen Messen der Konzentration eines bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils in verschiedenen Medien entwickelt worden, die in unterschiedlicher Form vorliegen können, wie beispielsweise lebendes Gewebe oder ein bestimmtes Gewebe, dessen Form in der Regel individuell verschieden ist. Dies ist bisher bei nichtinvasiven Messungen an lebenden Proben mithilfe des Lichts ein ernsthaftes Problem gewesen, und es besteht hier ein starker Wunsch nach Verbesserung.
Das in das streuende Medium, wie beispielsweise lebendes Gewebe, fallende Licht breitet sich auf diffuse Weise in dem Medium aus, während es gestreut und absorbiert wird, und dann tritt ein Teil davon aus der Oberfläche des Mediums aus. Da außerhalb des streuenden Mediums normalerweise Luft vorliegt, breitet sich das aus der Oberfläche austretende Licht gestreut im freien Raum aus.
Zum Messen von Informationen im Inneren des streuenden Mediums wird wie oben beschrieben das aus der Oberfläche austretende Licht erfasst. Bei streuenden Medien mit unterschiedlicher Form, beispielsweise in Abhängigkeit davon, ob es sich um eine Kugel oder ein rechteckiges Parallelepiped handelt, tritt eine große Differenz auf, was die Menge oder das Verhalten des von einer vorgegebenen Position auf der Oberfläche davon austretenden Lichts betrifft.
Um die Genauigkeit solcher Messungen zu verbessern, ist es daher notwendig, das Verhalten des Lichts innerhalb des streuenden Mediums zu kennen. Es ist seit kurzem bekannt, dass sich das Verhalten des Lichts innerhalb des streuenden Mediums mithilfe der Monte-Carlo-Rechnung (Monte-Carlo- Simulation) unter Verwendung eines Computers analysieren, experimentell bestimmen oder untersuchen beziehungsweise mithilfe der Photonendiffusionstheorie in einem gewissen Ausmaß genau beschreiben oder analysieren lässt.
Wie oben beschrieben sind die Monte-Carlo-Simulation und die Photonendiffusionstheorie bereits dazu verwendet worden, das Verhalten von Licht innerhalb des streuenden Mediums zu verstehen.
US-A-5,119,815 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, die zeitaufgelöste Spektroskopie verwenden. Einfallende Lichtimpulse von ausreichend kurzer Dauer werden dazu eingesetzt, dass die Steilheit ihres Ansteigens und Abfallens gemessen werden kann. Folglich ermöglicht die Steilheit des Abfallens ein Ermitteln der Konzentration eines absorptionsfähigen Pigments wie Hämoglobin. Die genaue Weglänge, die die Photonen zurücklegen, kann ebenfalls ermittelt werden. Mithilfe der Weglängeninformationen und der Messung von Veränderungen bei der optischen Dichte unter Verwendung bekannter Dauerlicht-Spektralphotometriesysteme ermöglichen die beschriebenen Verfahren und die beschriebene Vorrichtung das korrekte Messen von Veränderungen bei der Konzentration eines absorptionsfähigen Pigments. Aus diesen Daten kann der Oxidationszustand eines Gewebsbereiches, wie beispielsweise des Gehirns, in Echtzeit genau ermittelt werden.
US-A-5,348,003 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Ermitteln des Vorliegens eines Analyten in einem Medium oder der Zusammensetzung eines Mediums, wobei eine Menge des Materials mit zeitlich modulierter elektromagnetischer Energie mit mehreren Wellenlängen bestrahlt wird. Die elektromagnetische Strahlung wird erfasst, wenn sie einen Teil des Materials durchquert hat. Es werden Darstellungssignale, die den Absorptionsgrad von elektromagnetischer Energie bei verschiedenen Wellenlängen in dem Material betreffen, und Signale, die die Weglängen betreffen, die die elektromagnetische Strahlung in dem Material zurücklegt, erzeugt, und Signale, die für die optische Absorption pro Weglängeneinheit bei verschiedenen Weglängen in dem Medium stehen, werden abgeleitet. Die abgeleitete Wellenlängenabhängigkeit der optischen Absorption pro Weglängeneinheit wird mit einem Kalibrierungsmodell verglichen, und der Vergleich wird analysiert, um die Konzentrationen bestimmter Chemikalienarten in dem Material und das Vorhandensein eines Analyten oder die Zusammensetzung des Mediums abzuleiten. Ein Ausgangswert, der die Konzentration und Zusammensetzung angibt, wird dann bereitgestellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfinder haben festgestellt, dass die oben genannten konventionellen Verfahren die folgenden Probleme aufweisen.
Die Monte-Carlo-Simulation erfordert eine sehr lange Berechnungszeit und ermöglicht keine Berechnung der Konzentration usw. des bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium aus dem Ergebnis.
Beim Anwenden der Photonendiffusionstheorie ist es notwendig, Grenzbedingungen festzulegen, damit Photonendiffusionsgleichungen tatsächlich gelöst werden können. Diese Grenzbedingungen sind jedoch in hohem Maße von der äußeren Form des streuenden Mediums abhängig. Somit müssen für eine genaue Messung für jedes streuende Medium mit unterschiedlicher Form neue Grenzbedingungen festgelegt werden, damit die Photonendiffusionsgleichungen dafür gelöst werden können. Des Weiteren sind die Formen von streuenden Medien, für die die Grenzbedingungen in einem gewissen Ausmaß genau festgelegt werden können, auf äußerst einfache Formen beschränkt, wie beispielsweise unendlicher Raum, Halbraum, unendlicher ringförmiger Zylinder, sich unendlich ausdehnende Platte von begrenzter Dicke usw. Folglich müssen für das Messen eines Objektes von komplexer Form, wie bei spielsweise von lebendem Gewebe, ungefähre Grenzbedingungen verwendet werden, was zu einem großen Messfehler führt.
Wie oben beschrieben wurde, ist es der konventionellen Technik nicht gelungen, ein Verfahren für den Umgang mit Streulicht zu entwickeln, das systematisch bei streuenden Medien von unterschiedlicher Form angewendet werden kann, und daher ist es unmöglich, die Konzentrationen usw. eines bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils genau zu messen, der sich in den streuenden Medien von unterschiedlicher Form befindet, indem systematisch die konventionellen Techniken angewendet werden.
Zur Lösung der obigen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium bereitzustellen, wodurch erstmals grundlegende Beziehungen bezüglich des Verhaltens des Lichts in den streuenden Medien von unterschiedlicher Form offengelegt werden, auf der Grundlage dieser Beziehungen die Messung von Konzentrationen oder absoluten Mengen eines bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils in den streuenden Medien von unterschiedlicher Form usw. realisiert wird, was die Genauigkeit der Messung wesentlich verbessert, und eine zeitliche Änderung oder räumliche Verteilung davon gemessen werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine solche Technik, bei der man Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen, bei denen die Streukoeffizienten gleich sind oder als gleich betrachtet werden, in ein streuendes Medium fallen lässt, das verschiedene äußere Formen aufweisen kann, an einer Photodetektionsposition Lichtmengen und durchschnittliche Laufweglängen für das Licht mit den vorgegebenen Wellenlängen ermittelt und aus diesen Werten durch Rechenverarbeitung eine Konzentration oder eine absolute Menge eines absorptionsfähigen Bestandteils ermittelt, was nicht von der Form des streuenden Mediums beeinflusst wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium nach Anspruch 1 oder 2 bereit.
Bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen kann es sich um gepulstes Licht handeln.
Bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen kann es sich um sinusmoduliertes Licht mit einer vorgegebenen gemeinsamen Modulationsfrequenzkomponente handeln, wobei die Lichtmengen mithilfe von (i) Gleichstromkomponenten der Photodetektionssignale oder (ii) Amplituden der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente (Signal) in den Photodetektionssignalen beschrieben und die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen (Phasendifferenzen) der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente (Signal) in den Photodetektionssignalen berechnet werden können.
Bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen kann es sich des Weiteren um moduliertes Licht mit einer vorgegebenen gemeinsamen Modulationsfrequenzkomponente handeln, wobei die Lichtmengen aus (i) Gleichstromkomponenten der Photodetektionssignale oder (ii) Amplituden der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente (Signal) oder einer Frequenzkomponente (Signal) eines ganzzahligen Vielfachen davon, die in den Photodetektionssignalen enthalten ist, und die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen (Phasendifferenzen) der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente (Signal) oder einer Frequenzkomponente (Signal) eines ganzzahligen Vielfachen davon, die in den Photodetektionssignalen enthalten ist, berechnet werden können.
Die vorliegende Erfindung stellt ebenfalls eine Vorrichtung zum Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium nach Anspruch 8 oder 9 bereit.
Da die vorliegende Erfindung eine Rechenverarbeitung der Konzentration des bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils auf der Grundlage der grundlegenden Beziehung involviert, die für verschiedene streuende Medien von unterschiedlicher Form gilt, d.h. auf der Grundlage der Beziehung zwischen den Lichtmengen und den durchschnittlichen Laufweglängen an einem Detektionspunkt, und der Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für das Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen, kann die Konzentration des bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils genau gemessen werden und wird nicht von der äußeren Form des streuenden Mediums beeinflusst. Die Erfindung ermöglicht es auch, eine zeitliche Änderung oder eine räumliche Verteilung der Konzentration des bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils zu messen.
Ausführungsformen der Erfindung verwenden die Lichtmengen und durchschnittlichen Laufweglängen, die aus tatsächlich gemessenen Werten ermittelt werden, als Parameter für die Rechenverarbeitung der Konzentration des bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils. Da es sich bei diesen Parametern um jene handelt, die sich durch das Nutzen fast des gesamten Lichts, das sich am Photodetektionspunkt sammelt, ermitteln lassen, d.h. jene, die in Integralform ermittelt werden, lassen sich hohe Signal-Rausch-Verhältnisse erzielen, was wiederum zu einer hohen Messgenauigkeit führt.
Das Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen, bei denen Streukoeffizienten gleich oder im Wesentlichen gleich sind, lässt man in das streuende Medium fallen, das Licht wird gemessen, die Differenz zwischen den Absorp tionskoeffizienten des absorptionsfähigen Bestandteils bei den vorgegebenen Wellenlängen wird aus Messwerten berechnet, und die Konzentration des bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils wird daraus ermittelt. Bei dieser Gelegenheit kann, wenn an zwei oder mehreren Detektionspunkten Lichtsignale erfasst werden, eine Differenz zwischen Lichtmengen einfallender Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen eliminiert werden, was eine praktischere Messung mit größerer Genauigkeit ermöglicht.
Besser verständlich wird die vorliegende Erfindung durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung sowie durch die beigefügten Zeichnungen, die lediglich der Erläuterung dienen sollen und somit nicht als die vorliegende Erfindung einschränkend betrachtet werden dürfen.
Weitere Anwendungsbereiche für die vorliegende Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung. Es versteht sich jedoch, dass die ausführliche Beschreibung und spezielle Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, jedoch lediglich der Erläuterung dienen, da für Fachleute aus dieser ausführlichen Beschreibung verschiedene, in den Schutzumfang der Erfindung fallende Änderungen und Modifikationen ersichtlich werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine erläuternde Zeichnung einer Bahn von Licht, das sich im Inneren eines streuenden Mediums ausgebreitet hat,
2 ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel für die gemessene zeitlaufgelöste Reemission zeigt,
3 ist eine graphische Darstellung, die Absorptionsspektren verschiedener biologischer Substanzen zeigt,
4 ist eine Zeichnung des Aufbaus einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform,
die 5 bis 8 sind jeweils erläuternde Zeichnungen, die entsprechende Verfahren für das Leiten von Licht in ein streuendes Medium zeigen,
die 9 bis 11 sind jeweils erläuternde Zeichnungen, die entsprechende Verfahren für das Empfangen von Licht zeigen,
12 ist eine Zeichnung des Aufbaus einer Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform,
13 ist eine Zeichnung des Aufbaus von Lichteinfalls- und Photodetektionsabschnitten in der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform,
14 ist eine Zeichnung des Aufbaus einer Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform,
15 ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Beispiel für ein Verfahren zum Erzeugen von moduliertem Licht zeigt,
16 ist eine erläuternde Zeichnung des modulierten Lichts, das durch das in 15 gezeigte Verfahren erzeugt wird,
17 ist eine erläuternde Zeichnung, die ein weiteres Beispiel für das Verfahren zum Erzeugen von moduliertem Licht zeigt,
18 ist eine erläuternde Zeichnung des modulierten Lichts, das durch das in 17 gezeigte Verfahren erzeugt wird,
19 ist eine erläuternde Zeichnung, die noch ein weiteres Beispiel für das Verfahren zum Erzeugen von moduliertem Licht zeigt,
20 ist eine erläuternde Zeichnung des modulierten Lichts, das durch das in 19 gezeigte Verfahren erzeugt wird, und
21 ist eine Zeichnung des Aufbaus eines Arithmetikprozessors für Photodetektionssignale.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Vor der Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird zunächst das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert.
Grundlagen der Erfindung
Es soll ein gleichförmiges streuendes Medium betrachtet und davon ausgegangen werden, dass Licht von einer Lichtquelle, die sich auf einer Oberfläche des streuenden Mediums befindet, in dem streuenden Medium ausbreitet und ein auf der Oberfläche angeordneter Photodetektor daraus austretendes Licht erfasst. In diesem Fall ist die äußere Form des streuenden Mediums frei wählbar, solange sie Flächen umfasst, die verhindern können, dass Streulicht erneut einfällt.
1 zeigt ein Beispiel für eine Bahn von erfasstem Licht (oder eines Photons), das sich in einem streuenden Medium ausgebreitet hat.
Das Licht wird durch Streupartikel gestreut, so dass dessen optischer Weg zickzackförmig gekrümmt ist. Dann gilt das Beer-Lambert-Gesetz für die zickzackförmige Laufweglänge 1, und die Intensität des sich ausbreitenden Lichts wird exponentiell zur zickzackförmigen Laufweglänge (kumulativen Entfernung) 1 gedämpft. Hierbei ist die Laufweglänge als l = ct gegeben, wobei c für eine Geschwindigkeit des Lichts in dem Medium und t für eine Laufzeit steht.
Des Weiteren entspricht, wenn eine zeitaufgelöste Reemission (Wellenform) J(ct) eines durch zeitaufgelöste Messung erhaltenen Photodetektionssignals betrachtet wird, wie in 2 gezeigt die Laufweglänge 1 der Abszisse ct = l der zeitaufgelösten Reemission (Wellenform) J(ct) des Photodetektionssignals.
Daraus werden die folgenden wichtigen Beziehungen hinsichtlich der Laufweglänge und der Absorption des zum Zeitpunkt t erfassten zickzackförmigen Lichts ermittelt, woraus verständlich wird, dass der Absorptionsgrad nur mit der Laufweglänge 1 und dem Absorptionskoeffizienten μ_a in Zusammenhang steht:

ct = l = nls = n/μs (1)
J(ct) = B0A(μs', t)[exp(–μa/μs)]n = B0A(μs', t)exp(–μal) = B0A(μs', t)exp(–μact) (2)

Bei den Beziehungen steht

l_s:: für die mittlere freie Weglänge, wobei l_s = 1/μ_s,
n:: für die Anzahl der Kollisionen mit Streupartikeln,
μ_a:: für den Absorptionskoeffizienten,
μ_s:: für den Streukoeffizienten,
μ_s':: für den Transport-Streukoeffizienten durch das Ähnlichkeitsprinzip μ_s' = (1 – g)μ_s, wobei g für den mittleren Kosinus des Streuwinkels steht,
B₀:: für die Intensität des in das streuende Medium fallenden Lichts,
B₀A(μ_s', t):: für ein Photodetektionssignal ohne Absorption, d.h. wenn μ_a = 0.

Hier ist l>>l_S, und A(μ_s', t) steht für den Streueffekt.
Als Nächstes werden aus der obigen Beziehung die grundlegenden Beziehungen hinsichtlich des Verhaltens des Lichts innerhalb des streuenden Mediums abgeleitet. Es soll ein einzelnes Photon betrachtet werden, das bei t = 0 auf ein Medium fällt, und J(μ_s', μ_a, t) sei die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion für das Austreten eines einzelnen Photons zu einem bestimmten Zeitpunkt. Für die zeitaufgelöste Reemission, bei der es sich um eine Gruppe von Photonen (entsprechend der zeitaufgelösten Messung) handelt, gelten zunächst die folgenden Beziehungen:

J(μs', μa, t) = B0A(μs', t)exp(–μact) (3)
ln[J(μs', μa, t)] = –μact + ln[B0A(μs', t)] (4)
(∂/∂μa)J(μs', μa, t) = –ctB0A(μs', t)exp(–μact) (5)
(∂/∂μa)ln[J(μs', μa, t)] = –ct (6)

Bei Formel (3) handelt es sich hier um eine umgeschriebene Form der Formel (2).
Von den vier oben angeführten Formeln eignet sich beispielsweise Formel (3) oder (4) für die Quantifizierung der Konzentration von Hämoglobin in lebendem Gewebe. Und zwar kann der Streueffekt eliminiert werden, indem man eine Messung mit zwei Arten Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen durchführt, bei denen die Streukoeffizienten gleich sind oder als gleich angesehen werden, dann ln J(μ_s', μ_a, t) ermittelt und ein Verhältnis der Werte von ln J für die beiden Wellenlängen verwendet.
Der Erfinder stellte fest, dass sich, da eine erfasste Lichtmenge I eine Zeitintegration des obigen ln J(u_s', μ_a, t) ist, hinsichtlich der erfassten Lichtmenge I (eines Wertes der Zeitintegration, entspricht einer Dauerstrichmessung) die folgenden grundlegenden Beziehungen ermitteln lassen. Eine Laplace-Transformierte (s = cμ_s) von A(μ_s', t) wird nachfolgend durch F[A(μ_s', t)] dargestellt.
<L(μ_s)> in der obigen Formel (10) entspricht dem gewichteten Mittel c<t> der Verteilung von J(μ_s', μ_a, t) in der Formel (3), was als Schwerpunkt, durchschnittliche Laufweglänge oder durchschnittliche optische Weglänge bezeichnet wird.
Diese durchschnittliche Laufweglänge <L(μaμa)> kann durch Rechenverarbeitung der zeitaufgelösten Reemission (Wellenform) J(μ_s', μ_a, t) des Erfassungssignals berechnet werden. Es kann auch mithilfe eines anderen Verfahrens berechnet werden, beispielsweise aus einer Phasenverzögerung des Photodetektionssignals zu einfallendem moduliertem Licht. Da es sich bei dieser durchschnittlichen Laufweglänge <L(μ_a)> um eine Menge handelt, die durch Nutzung des gesamten Photodetektionssignals ermittelt werden kann, d.h. eine Menge in Integralform, lassen sich hohe Signal-Rausch-Verhältnisse (S/R) erzielen. Die durchschnittliche Laufweglänge <L(μ_a)> ist allgemein von μ_a abhängig.
Obiges wird auch durch die Monte-Carlo-Simulation bestätigt. Die obige Beschreibung verrät, dass es bei der Anwendung von Photonendiffusionsgleichungen angemessen ist, eine neue Diffusionskonstante D zu verwenden, die durch das Eliminieren des Absorptionskoeffizienten aus der konventionellen Diffusionskonstanten definiert wird. Und zwar ist die neue Diffusionskonstante D folgendermaßen definiert: D = 1/(3μs') = 1/[3(1 – g)μs] (11)
Der Erfinder der vorliegenden Anmeldung legt als Erster die oben angeführten Ansichten offen. Diese Ergebnisse und die Ableitung daraus widersprechen, soweit dem Erfinder der vorliegenden Anmeldung bewusst ist, keinen bisherigen empirisch ermittelten Fakten oder Ansichten.
Dann entwickeln Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die oben angeführte Ansicht weiter; beispielsweise wird Formel (10) folgendermaßen erweitert. Zunächst erhält man aus Formel (10) die folgende Formel:
Hier ist Co eine Integrationskonstante, und G(μ_a) wird folgendermaßen definiert:
Wenn man annimmt, dass das streuende Medium einen absorptionsfähigen Bestandteil enthält und ε₁, ε₂ für Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für die entsprechenden Arten Licht mit den Wellenlängen λ₁ beziehungsweise λ₂ stehen, dann ist die Konzentration V des absorptionsfähigen Bestandteils folgendermaßen gegeben: V(ε1 – ε2) = (μa1 – μa2) (14)
In der Formel stehen μ_a1 und μ_a2 für die Absorptionskoeffizienten des absorptionsfähigen Bestandteils bei den Wellenlängen λ₁ beziehungsweise λ₂.
Geht man also davon aus, dass die durchschnittlichen Laufweglängen <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)> und die Lichtmengen I₁(λ₁) = I₁(μ_a1) und I₁(λ₂) = I₁(μ_a2) an einem Photodetektionspunkt r₁ für das einfallende Licht mit der Wellenlänge λ₁ (einfallende Lichtintensität B₁) und der Wellenlänge λ₂ (einfallende Lichtintensität B₂) erfasst werden, dann gilt folgende Beziehung:
Dementsprechend existiert ξ, das die folgende Beziehung durch den Mittelwertsatz erfüllt. ln[I1(λ1)/I1(λ2)] = (μa3 – μa1)L1(ξ) + ln[B1/B2] (16)
Hier ist μ_a1 ≤ ξ ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ ξ ≥ μ_a2.
Andererseits kann L₁(ξ) unter Verwendung der durchschnittlichen Laufweglängen <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)> folgendermaßen ausgedrückt werden: L1(ξ) = p<L1(λ1)> + (1 – p)<L1(λ2)> (17)
Hier ist p ein geeigneter Wert, der die Bedingung 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt.
Der Erfinder stellte somit fest, dass bei B₁ = B₂ die Konzentration V des absorptionsfähigen Bestandteils der folgenden Formel entsprechend berechnet werden kann: V = (ε2 – ε1)–1[L1(ξ)]–1 × ln[I1(λ1)/I1(λ2)] = (ε2 – ε1)–1 × (p<L1(λ1)> + (1 – p)<L1(λ2)>]–1 × ln[I1(λ1)/I1(λ2)] (18)
Da es sich bei ε₂ und ε₁ um bekannte Mengen handelt, kann hier die Konzentration V eines bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils aus den durch Messung ermittelten Werten berechnet werden, d.h. aus den durchschnittlichen Laufweglängen <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)>, den Lichtmengen lnI₁(λ₁) und lnI₁(λ₂) und dem Wert von p, der empirisch bestimmt werden kann.
Bei der tatsächlichen Messung lässt sich eine ausreichende Messgenauigkeit erzielen, wenn wie folgt p = 1/2 und ein Durchschnittswert von <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)> für L(ξ) verwendet wird: L(ξ) = (1/2)[<L1(λ1)> + <L1(λ3)>] (19)
Allgemeiner gesagt stellte der Erfinder fest, dass, wenn B₁ ≠ B₂ und wenn an den Photodetektionspunkten r₁ und r₂ für das einfallende Licht mit der Wellenlänge λ₁ (einfallende Lichtintensität B₁) und der Wellenlänge λ₂ (einfallende Lichtintensität B₂) Photodetektion durchgeführt wird, um die durchschnittlichen Laufweglängen <L₁(λ₁)>, <L₁(λ₂)>, <L₂(λ₁)>, <L₂(λ₂)> und die Lichtmengen I₁(λ₁), I₁(λ₂), I₂(λ₁), I₂(λ₂) zu erfassen, die Konzentration V des absorptionsfähigen Bestandteils der folgenden Formel entsprechend berechnet werden kann: V = (ε2 – ε1)–1[L1(ξ1) – L2(ξ2)]–1 × ln{(I1(λ1)I2(λ2)]/[I1(λ2)I2(λ1)]} = (ε2 – ε1)–1 × [p<L1(λ1)> + (1 – p)<L1(λ2)> = q<L2(λ1)> – (1 – q)<L2(λ2)>]–1 × ln{(I1(λ1)I2(λ2)]/[I1(λ2)I2(λ1))} (20)
Hier ist p ein geeigneter Wert, der die Bedingung 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt, und q ist ein geeigneter Wert, der die Bedingung 0 ≤ q ≤ 1 erfüllt.
Da es sich in diesem Fall ähnlich wie bei dem oben angeführten Fall bei ε₂ und ε₁ um bekannte Mengen handelt, kann hier die Konzentration V eines bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils aus den messbaren Werten berechnet werden, d.h. aus den durchschnittlichen Laufweglängen <L₁(λ₁)>, <L₁(λ₂)>, <L₂(λ₁)>, <L₂(λ₂)>, den Lichtmengen lnI₁(λ₁),lnI₁(λ₂), lnI₂(λ₁), lnI₂(λ₂) und den Werten von p und q, die empirisch bestimmt werden können.
Des Weiteren lässt sich in diesem Fall auch durch die Verwendung der folgenden Formel eine ausreichende Messgenauigkeit erzielen: L1(ξ1) – L2(ξ1) = (1/2)[<L1(λ1)> + <L1(λ2)> – <L2(λ1)> – <L2(λ2)> (21)
Wenn ein streuendes Medium zwei absorptionsfähige Bestandteile enthält, muss die Messung mit Licht mit drei Wellenlängen durchgeführt werden. Wenn man davon ausgeht, dass die Konzentrationen der beiden absorptionsfähigen Bestandteile V₁, V₂ sind, dann gelten für V₁ und V₂ zwei simultane Gleichungen, wie Formel (18) oder (20). Dementsprechend können V₁ und V₂ durch Lösen der simultanen Gleichungen ermittelt werden. Allgemeiner ausgedrückt können, wenn ein streuendes Medium m absorptionsfähige Bestandteile enthält, die Konzentrationen der m absorptionsfähigen Bestandteile mithilfe von Licht mit (m + 1) Wellenlängen gemessen werden.
3 zeigt beispielsweise Absorptionsspektren von oxygeniertem Hämoglobin und desoxygeniertem Hämoglobin sowie oxygeniertem Myoglobin und desoxygeniertem Myoglobin. Es ist beispielsweise wichtig, ein Verhältnis eines oxygenierten Bestandteils und eines desoxygenierten Bestandteils bei Hämoglobin im Gehirn zu messen. In diesem Fall kann eine Messung gemäß dem oben erläuterten Prinzip angewendet werden, indem Licht mit Wellenlängen verwendet wird, die zwischen dem oxygenierten Bestandteil und dem desoxygenierten Bestandteil einen großen Unterschied beim Absorptionskoeffizienten zeigen, und zwar indem Licht mit Wellenlängen im Bereich von 700 nm bis 1,2 μm verwendet wird.
Bei der obigen Beschreibung sind die Streukoeffizienten von Streubestandteilen für die entsprechenden Arten Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen einander gleich, oder ein eventuell vorhandener Unterschied zwischen ihnen wird als sehr gering angesehen. Für lebende Proben können die Wellenlängen so gewählt werden, dass der Unterschied auf ein unwesentliches Maß minimiert wird.
Die obige Beschreibung verdeutlichte das Verfahren zum Messen der Konzentration eines bestimmten absorptionsfähigen Bestandteils für verschiedene streuende Medien mit unterschiedlichen Formen. Es werden nunmehr nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert. Bei der nachfolgenden Beschreibung mit den Zeichnungen sind gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszahlen versehen, und auf überflüssige Beschreibungen wird verzichtet.
Erste Ausführungsform
4 zeigt die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und veranschaulicht ein Verfahren und eine Vorrichtungsanordnung für das Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium 20. Diese Anordnung stellt in Verbindung mit Licht mit zwei Wellenlängen (λ₁, λ₂) und zwei Photodetektionsabständen (r₁, r₂) acht Parameterwerte bereit, und somit kann die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils der oben erläuterten Formel (20) entsprechend gemessen werden.
Bei einer Lichtquelle 2 handelt es sich um eine Laserdiode, die gepulstes Licht (gepulste Lichtstrahlen) mit unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ und λ₂ emittiert. Die zeitliche Breite des gepulsten Lichts kann normalerweise im Bereich von ungefähr 10 ps bis 100 ns frei gewählt werden, solange sie so gering ist, dass sie die Ableitung von durchschnittlichen Laufweglängen aus einem Photodetektionssignal ermöglicht. Des Weiteren müssen die Wellenlängen des Lichts in Abhängigkeit von einem zu messenden Objekt richtig gewählt werden. Im Allgemeinen wird für lebende Proben aufgrund der Absorption von Hämoglobin und dergleichen häufig Licht mit mehr als 700 nm Wellenlänge verwendet. Bei der Lichtquelle kann es sich zusätzlich zu der Laserdiode um eine Leuchtdiode, einen HeNe-Laser usw. handeln.
Die gepulsten Lichtstrahlen aus der Lichtquelle 2 werden in einem Wellenlängendiskriminator 4 einer Wellenlängenselektion unterworfen, und jeder gepulste Lichtstrahl mit der gewählten Wellenlänge wird gezielt so durch einen Lichtleiter 6 geleitet, dass er in die Oberfläche des streuenden Mediums 20 fällt, bei dem es sich um das Messobjekt handelt. In diesem Fall kann ein weiteres Verfahren eingesetzt werden, mit dem man gepulste Lichtstrahlen mit zwei Wellenlängen gleichzeitig in die Oberfläche des streuenden Mediums fallen lässt, und in diesem Fall wird der Wellenlängendiskriminator 4 weggelassen.
Ein Zwischenraum zwischen dem Lichtleiter 6 und dem streuenden Medium 20 wird bei der Ausführungsform in 4 ausreichend schmal gehalten. Bei tatsächlichen Anwendungen kann dieser Zwischenraum allerdings vergrößert werden, indem er mit einer flüssigen oder geleeförmigen Substanz (nachfolgend als Grenzflächensubstanz bezeichnet) gefüllt wird, deren Brechungsindex und Streukoeffizient fast gleich denen des streuenden Mediums 20 sind. Und zwar stellt eine solche Anordnung kein Problem dar, weil sich das Licht in der Grenzflächensubstanz diffus ausbreitet und in das Messobjekt eintritt. In den Fällen, bei denen sich die Oberflächenreflexion des streuenden Mediums als problematisch erweist, kann der Effekt der Oberflächenreflexion usw. dadurch reduziert werden, dass man die richtige Grenzflächensubstanz wählt.
Das Licht, das sich auf diffuse Weise in dem streuenden Medium ausgebreitet hat, wird von Lichtleitern 8 und 9 empfangen, die an Positionen angeordnet sind, die sich in einem Abstand r₁ beziehungsweise r₂ zu der Einfallsposition des Lichts befinden. Die Grenzflächensubstanz kann auch hier aus dem gleichen Grund wie oben verwendet werden.
Der erste Photodetektor 12 und der zweite Photodetektor 13 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um, verstärken sie, falls dies notwendig ist, und geben dann entsprechende Photodetektionssignale aus. Die Photodetektoren 12 und 13 können unter Photoelektronenvervielfachern, Photozellen, Photodioden, Lawinenphotodioden, PIN-Photodioden usw. ausgewählt werden. Es kann ein beliebiger Photodetektor ausgewählt werden, solange er eine Spektralempfindlichkeitscharakteristik für das Erfassen des Lichts mit den vorgegebenen Wellenlängen und hinsichtlich des Zeitverhaltens die benötigte Geschwindigkeit besitzt. Wenn die optischen Signale schwach sind, müssen hochverstärkende Photodetektoren verwendet werden. Des Weiteren können Photonen mithilfe des Verfahrens des zeitkorrelierten Photonenzählens gezählt werden. Andere Abschnitte der Photodetektoren als die lichtempfangenden Flächen müssen nach Möglichkeit so ausgelegt sein, dass sie das Licht absorbieren oder abschirmen. Wenn die gepulsten Lichtstrahlen mit zwei Wellenlängen wie bereits beschrieben gleichzeitig in das streuende Medium fallen, werden bevorzugt geeignete Wellenlängenwahlfilter (nicht gezeigt) angeordnet: einer zwischen dem Photodetektor 12 und dem streuenden Medium 20 und der andere zwischen dem Photodetektor 13 und dem streuenden Medium 20.
Eine Parametererfassungseinheit 15 erfasst Lichtmengen und durchschnittliche Laufweglängen aus den oben genannten Photodetektionssignalen. Da eine Lichtmenge ein Zeitintegrationswert eines Photodetektionssignals ist, lässt sie sich durch Integrieren des Photodetektionssignals problemlos ermitteln. Da eine durchschnittliche Laufweglänge ein gewichtetes Mittel der zeitaufgelösten Reemission (Wellenform) eines Photodetektionssignals ist, das für einen kurzzeitig einfallenden Lichtimpuls erhalten wird, kann sie beispielsweise durch Ausführen der bereits beschriebenen Rechenverarbeitung von Formel (10) oder dieser entsprechender Rechenverarbeitung problemlos aus der zeitaufgelösten Reemission (Wellenform) des Photodetektionssignals ermittelt werden. In diesem Fall benutzt die Parametererfassungseinheit bei Bedarf Signale, die mit der Erzeugung von Lichtimpulsen der Lichtquelle 2 synchronisiert sind.
Ein Arithmetikprozessor 16 berechnet die Konzentration V des absorptionsfähigen Bestandteils auf der Grundlage der vorangegangenen Formel (20) unter Verwendung der acht in der Parametererfassungseinheit ermittelten Parameterwerte, d.h. der Lichtmengen I₁(λ₁), I₁(λ₂) und der durchschnittlichen Laufweglängen <L₁(λ₁)>, <L₁(λ₂)> an der Position r₁ für das Einfallen des gepulsten Lichts mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ und der Lichtmengen I₂(λ₁), I₂(λ₂) und der durch schnittlichen Laufweglängen <L₂(λ₁)>, <L₂(λ₂)> an der Position r₂ für das Einfallen des gepulsten Lichts mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂. Hierbei benutzt der Prozessor die Konstanten p und q, die empirisch ermittelt werden können. Bei der tatsächlichen Messung wird mit p = q = 1/2 eine ausreichende Genauigkeit erzielt. Die Rechenverarbeitung wird mit hoher Geschwindigkeit beispielsweise von einem Mikrocomputer durchgeführt, der sich in dem Arithmetikprozessor befindet.
Wenn die in das streuende Medium 20 fallenden Lichtintensitäten mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ bei dem gepulsten Licht einander gleich sind oder so gesteuert werden können, dass sie einander gleich werden oder sich in einem bereits bekannten vorgegebenen Verhältnis befinden, dann kann der zweite Photodetektor 13 weggelassen werden. In diesem Fall ermittelt die Parametererfassungseinheit 15 vier Parameter: die Lichtmengen I₁(λ₁), I₁(λ₂) und die durchschnittlichen Laufweglängen <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)> an der Position r₁ für das Einfallen des gepulsten Lichts mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂. Dementsprechend berechnet der Arithmetikprozessor 16 die Konzentration V des absorptionsfähigen Bestandteils auf der Grundlage der obigen Formel (18) mithilfe dieser Parameterwerte. Hierbei verwendet der Prozessor die Konstante p, die empirisch ermittelt werden kann, bei der tatsächlichen Messung kann jedoch mit p = 1/2 eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden. Die Rechenverarbeitung wird mit hoher Geschwindigkeit beispielsweise von dem Mikrocomputer durchgeführt, der sich in dem Arithmetikprozessor befindet.
Die obige Beschreibung veranschaulichte das Verfahren, bei dem man das Licht an einer Position einfallen lässt und an zwei davon verschiedenen Punkten erfasst. Es ist jedoch klar, dass man bei tatsächlichen Anwendungen Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen an zwei Positionen einfallen lassen kann, und diese Lichtstrahlen können gleichzeitig oder zeitlich versetzt an einem oder mehreren anderen Punkten erfasst werden.
Die obige Ausführungsform kann wie oben beschrieben entweder das Verfahren einsetzen, bei dem man das Licht mit Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen einfallen lässt, oder das Verfahren, bei dem man die Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen zeitlich versetzt einfallen lässt. Ersteres kann ein Verfahren einsetzen, das so ausgelegt ist, dass die Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen in konzentrischen Strahlen einfallen und durch einen Wellenlängenwahlfilter, der direkt vor der Einfallsposition des Lichts bereitgestellt wird, nach Wellenlänge ausgewählt werden, ein Verfahren, das so ausgelegt ist, dass die Lichtstrahlen so, wie sie sind, in das streuende Medium fallen und durch einen Wellenlängenwahlfilter, der direkt vor dem Photodetektor bereitgestellt wird, nach Wellenlänge ausgewählt werden, oder ein Verfahren, das so ausgelegt ist, dass jeder erfasste Lichtstrahl in zwei Strahlen geteilt wird, jeder der beiden Strahlen nach Wellenlänge ausgewählt wird und die Strahlen von insgesamt vier Photodetektoren gleichzeitig erfasst werden. Letzteres kann einen Lichtstrahlschalter mit einem Spiegel auf der Seite der Lichtquelle, einen Wellenlängenschalter mit einem Filter oder einen Lichtschalter mit einem optischen Schalter benutzen.
Bei dem Mittel für das Leiten des Lichts in das streuende Medium kann es sich um ein Verfahren handeln, das eine Kondensorlinse verwendet (5), ein Verfahren, das eine optische Faser verwendet (6), ein Verfahren, das eine Lochblende verwendet (7), oder ein Verfahren für das Leiten des Lichts in einen Körper, um es von innen anzulegen, wie beispielsweise eine Magenkamera (8) anstelle des in 4 gezeigten Lichtleiters. Man kann das Licht auch in Form eines dicken Strahls in das streuende Medium einfallen lassen. Dieser Fall kann als eine Vielzahl von in dem Strahl angeordneten Punktlichtquellen betrachtet werden.
Bei dem Mittel für das Erfassen des Lichts, das sich in dem streuenden Medium auf diffuse Weise ausgebreitet hat, kann es sich zusätzlich zu dem in 4 gezeigten Verfahren, das den Lichtleiter verwendet, um ein Verfahren für das direkte Erfassen des Lichts (9) handeln, um ein Verfahren, das eine optische Faser verwendet (10), oder ein Verfahren, das eine Linse verwendet (11).
Wenn die oben beschriebene erste Ausführungsform so ausgelegt ist, dass sie das Licht mit drei Wellenlängen verwendet, kann sie die Konzentrationen von zwei absorptionsfähigen Bestandteilen in einem streuenden Medium messen, das die beiden absorptionsfähigen Bestandteile enthält, oder eine Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium, das zahlreiche absorptionsfähige Bestandteile enthält, und eine Gesamtkonzentration der anderen absorptionsfähigen Bestandteile. Oxygeniertes Hämoglobin und desoxygeniertes Hämoglobin besitzen beispielsweise in Abhängigkeit von den Wellenlängen unterschiedliche Absorptionskoeffizienten, wie in der vorangegangenen Beschreibung in 3 gezeigt wurde. Daher können Konzentrationen davon sowie die Sauerstoffsättigung unter Verwendung des Lichts mit drei richtig gewählten Wellenlängen gemessen werden. Allgemein ausgedrückt können Konzentrationen von m absorptionsfähigen Bestandteilen unter Verwendung von Licht mit (m + 1) Wellenlängen gemessen werden. Zusätzlich dazu kann die Messgenauigkeit verbessert werden, indem Licht mit mehr als (m + 1) Wellenlängen verwendet wird.
Wenn die obige Messung zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt wird, kann eine zeitliche Änderung der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils gemessen werden. Des Weiteren kann eine räumliche Verteilung der Konzentration gemessen werden, indem die Einfallsposition des Lichts und Photodetektionspositionen bezüglich des streuenden Mediums synchron abgetastet (nicht gezeigt) und die Konzentrationen des absorptionsfähigen Bestandteils in entsprechenden Abschnitten des streuenden Mediums gemessen werden. Der Arithmetikprozessor 16 hat die Funktion, so erhaltene Informationen über die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils zu speichern, und eine Anzeige-Aufzeichnungseinheit 18 zeigt die Informationen an oder zeichnet sie auf.
Die Rechenverarbeitung kann mit hoher Geschwindigkeit von einer Computereinrichtung durchgeführt werden, die mit einem Speicher und einem Bildschirm ausgestattet ist.
Zweite Ausführungsform
12 zeigt die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und veranschaulicht ein Verfahren und eine Vorrichtungsanordnung für das Messen oder Überwachen einer Konzentration von oxygeniertem Hämoglobin oder einer Sauerstoffsättigung von Hämoglobin (eines Verhältnisses zwischen einer Konzentration von oxygeniertem Hämoglobin und einer Gesamtkonzentration von Hämoglobin) in einem streuenden Medium 30 wie einem menschlichen Kopf. Diese Ausführungsform kann die Konzentration von oxygeniertem Hämoglobin und die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin messen, indem zwölf mithilfe des Lichts mit drei Wellenlängen (λ₁, λ₂, λ₃) und der beiden Photodetektionsabstände (r₁, r₂) ermittelte Parameterwerte in drei simultane Gleichungen auf der Grundlage von Formel (20) wie bereits erläutert eingesetzt werden.
Ein Behälter 26 mit Befestigungsband ist wie ein Kopfband an dem Kopf 30 befestigt. Die bei dieser Ausführungsform gezeigte Vorrichtung verwendet das Licht mit drei vorgegebenen Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃, und die Funktionsweise davon gleicht im Wesentlichen der der Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. 13 zeigt einen Teil der in 12 gezeigten Vorrichtungsanordnung, d.h. die Einzelheiten im Inneren des Behälters 26.
In 13 wird das von der Lichtquelle 2 emittierte gepulste Licht (gepulste Lichtstrahlen) mit den vorgegebenen Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃ im Wellenlängendiskriminator 4 einer Wellenlängenselektion unterworfen, und jeder Lichtstrahl mit der gewählten Wellenlänge wird gezielt durch den Lichtleiter 6 in den Kopf 30 geleitet. Dabei werden die drei Wellenlängen durch Bezugnahme auf die in der vorangegangenen 3 dargestellten Absorptionsspektren von Hämoglobin richtig ausgewählt.
Das Licht, das sich auf diffuse Weise im Kopf ausgebreitet hat, wird von den Lichtleitern 8 und 9 empfangen, die an Positionen angeordnet sind, die sich in einem Abstand r₁ beziehungsweise r₂ zu der Einfallsposition des Lichts befinden, und der erste Photodetektor 12 und der zweite Photodetektor 13 wandeln das Licht in elektrische Signale um und verstärken bei Bedarf diese Signale. Bei den hier erhaltenen Signalen handelt es sich um die für die drei Wellenlängen und die beiden Photodetektionsabstände. Die Stromversorgung und verschiedene Signale sind über ein am Behälter 26 angebrachtes Verbindungsstück 28 durch ein Signalkabel 32 mit einer externen Einrichtung 34 verbunden. Eine (nicht gezeigte) Parametererfassungseinheit in der externen Einrichtung 34 ermittelt Lichtmengen und durchschnittliche Laufweglängen für die drei Wellenlängen und die beiden Photodetektionsabstände, d.h. zwölf Parameter.
Hierbei gelten zwei simultane Gleichungen ähnlich der vorangegangenen Formel (20) für die Signale, die für die Wellenlängen λ₁ und λ₂ und für die Wellenlängen λ₁ and λ₃ erhalten werden. Dementsprechend kann der (nicht gezeigte) Arithmetikprozessor ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform die Konzentration V₁ von oxygeniertem Hämoglobin, die Konzentration V₂ von desoxygeniertem Hämoglobin und die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin V₁/(V₁ + V₂) berechnen und diese bei Bedarf auch ausgeben oder anzeigen. Diese Rechenverarbeitung wird mit hoher Geschwindigkeit beispielsweise von einem Computer durchgeführt, der in den Arithmetikprozessor eingebaut ist. Die obige Anordnung kann auf eine solche Weise modifiziert werden, dass die Signale in dem Behälter 26 in elektronische Funkwellen oder optische Signale umgewandelt und dann ohne Zwischenschalten des Signalkabels zu der externen Einrichtung 34 übertragen werden.
Die obige Ausführungsform kann, wie bei der ersten Ausführungsform erläutert, die Lichtquelle, den Lichteinfallsteil und die Lichterfassungseinheiten benutzen. Bei menschlichen Köpfen usw. gibt es manchmal Fälle, bei denen die Oberflächenreflexion oder ein Spalt zwischen dem Lichtleiter und dem Kopf ein Problem verursacht. Die weiter oben beschriebene Grenzflächensubstanz kann bei solchen Fällen effektiv angewendet werden. In solchen Fällen wird der in 13 gezeigte Lichtleiter weggelassen, und zwischen dem Kopf und dem Wellenlängendiskriminator 4 sowie zwischen dem Kopf und den Photodetektoren 12 und 13 wird eine Grenzflächensubstanz mit einem Streukoeffizienten und einem Absorptionskoeffizienten verwendet, die fast gleich denen des Messobjekts sind.
Die oben genannte Vorrichtung kann nicht nur bei der Messung innerhalb des Kopfes verwendet werden, sondern auch bei der Messung oder Überwachung der Konzentration von oxygeniertem Hämoglobin beispielsweise in einem Beinmuskel eines Menschen beim Marathonlauf.
Dritte Ausführungsform
14 zeigt die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und veranschaulicht ein Verfahren und eine Vor richtungsanordnung für das Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium 20 unter Verwendung von sinusmoduliertem Licht. Diese Ausführungsform benutzt eine Übertragungsanordnung für die Messung und misst die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils, indem sie moduliertes Licht mit zwei Wellenlängen (λ₁, λ₂) in das Medium fallen lässt, das Licht an Positionen mit zwei Photodetektionsabständen (r₁ und r₂) erfasst und die erhaltenen Parameter wie bereits erläutert in Formel (20) einsetzt.
Das sinusmodulierte Licht mit den Wellenlängen (oder Lichtwellenlängen) λ₁ und λ₂ und einer vorgegebenen Winkelfrequenz (oder einer vorgegebenen Modulationswinkelfrequenz) ω, das von einer Modulationslichtquelle 21 erzeugt wird, wird durch den Wellenlängendiskriminator 4 zu einem Lichteinfallsteil 5 und dann in das streuende Medium 20 geleitet. Der Lichteinfallsteil benutzt hier das vorangegangene, in 5 gezeigte Verfahren, d.h, das Verfahren, das die Linse verwendet, kann jedoch ein beliebiges anderes Verfahren einsetzen.
Das sinusmodulierte Licht mit der vorgegebenen Winkelfrequenz wird mithilfe der in den 15 und 16 gezeigten Strommodulation einer Laserdiode erzeugt. Das sinusmodulierte Licht kann auch wie in den 17 und 18 gezeigt mithilfe der Schwebung zweier Dauerstrichlaser oder wie in den 19 und 20 gezeigt mithilfe eines optischen Modulators erzeugt werden.
Das durch den Lichteinfallsteil 5 in das streuende Medium 20 fallende sinusmodulierte Licht breitet sich auf diffuse Weise in dem streuenden Medium aus, und ein Teil davon tritt in den ersten lichtaufnehmenden Teil 10 und in den zweiten lichtaufnehmenden Teil 11 ein. Hier setzen die lichtaufnehmenden Teile beispielsweise das vorangegangene, in 11 gezeigte Verfahren ein. Das in die lichtauf nehmenden Teile 10 und 11 eintretende Licht wird jeweils von den Photodetektoren 12 beziehungsweise 13 in elektrische Signale umgewandelt, und die elektrischen Signale werden bei Bedarf verstärkt. In diesem Fall sind die Abstände r₁ und r₂ zwischen dem Lichteinfallspunkt und den lichtempfangenden Punkten.
Eine Signalverarbeitungssteuereinheit 36 steuert die Lichtquelle und sorgt für die Rechenverarbeitung der Photodetektionssignale, sie gibt die Konzentration V des absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium 20 aus und zeigt sie bei Bedarf an oder zeichnet sie auf.
21 zeigt ein spezielles Beispiel für den Aufbau des Teils für das Ausführen der Rechenverarbeitung für die Photodetektionssignale. Die Photodetektionssignale aus den Photodetektoren 12 und 13 werden zu einer Signalextraktionseinheit 14 geleitet, die nur Signale mit einer Winkelfrequenzkomponente mit dem vorgegebenen Wert ω aus den entsprechenden Photodetektionssignalen extrahiert. Die Signale mit der vorgegebenen Winkelfrequenz ω sind Photonendichtewellen mit der vorgegebenen Winkelfrequenz ω, die sich in dem streuenden Medium 20 diffus ausgebreitet haben. Dann erfasst eine Parametererfassungseinheit 15 Amplituden M und Phasenverzögerungen Φ der Signale mit der vorgegebenen Winkelfrequenz ω.
Das oben beschriebene Verhalten des modulierten Lichts in dem streuenden Medium kann mithilfe der Fourier-Transformationen von Formel (3) bis Formel (10) ausgedrückt werden. Hierbei wird ein Verhältnis der Amplituden der Signale mit der oben genannten vorgegebenen Winkelfrequenz (Modulationswinkelfrequenz) ω, die im Detektionsabstand r₁ für die vorgegebenen Wellenlängen (Lichtwellenlängen) λ₁ und λ₂ erfasst worden sind, d. h. M₁(λ₁)/M₁(λ₂), mithilfe der in der vorangegangenen Formel (20) verwendeten Lichtmengen I₁(λ₁) und I₁(λ₂) folgendermaßen ausgedrückt: M1(λ1)/M1(λ2) = I1(λ1)/I1(λ2) (22)
Dementsprechend ist das Verhältnis von Lichtmengen in Formel (18) oder Formel (20) gleich dem obigen Verhältnis von Amplituden.
Wenn jede Frequenz ω um ein ausreichendes Maß kleiner ist als das Produkt zwischen der Geschwindigkeit des Lichts in dem Medium und dem Absorptionskoeffizienten davon, d.h. wenn ω<<cμ_a, dann ist die Phasenverzögerung Φ proportional zur bereits beschriebenen durchschnittlichen Laufweglänge <L(μ_a)>.
Die Phasenverzögerung Φ für die in 14 gezeigte Übertragungsmessung ist beispielsweise folgendermaßen gegeben: Φ(r, ω) = ωc–1<L(μa)>
Dementsprechend lässt sich die durchschnittliche Laufweglänge <L(μ_a)> ohne Weiteres aus den bekannten Werten ω und c und dem Messwert Φ ermitteln. Eine solche Beziehung gilt auch für Halbraum-Reflexionsmessungen. Sollte die Modulationsfrequenz hoch sein, muss die oben angegebene Beziehung modifiziert werden.
Aus Obigem ergeben sich Messparameter, die für die Berechnung der Konzentration V des absorptionsfähigen Bestandteils unter Verwendung der vorangegangenen Formel (18) oder Formel (20) notwendig sind, d.h. Lichtmengenverhältnisse I₁(λ₁)/I₁(λ₂), I₂(λ₁)/I₂(λ₂) und die durchschnittlichen Laufweglängen <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)>, <L₂(λ₁)> und <L₂(λ₂)> bei den Photodetektionsabständen r₁ und r₂ für das einfallende Licht mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂. Hierbei werden die Konstanten p und q, die empirisch ermittelt werden können, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform verwendet, bei der tatsächlichen Messung kann jedoch mit p = q = 1/2 eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden.
Der Arithmetikprozessor 16 verwendet die oben ermittelten Parameter für das Verarbeiten gemäß der obigen Formel (18) oder Formel (20) und gibt die Konzentration V des absorptionsfähigen Bestandteils aus. Der Konzentrationswert wird bei Bedarf angezeigt oder aufgezeichnet. Die obige Verarbeitung wird normalerweise mit hoher Geschwindigkeit von einer Computereinrichtung durchgeführt, die mit einem Speicher und einem Bildschirm ausgestattet ist.
Als Signalextraktionseinheit 14 und Parametererfassungseinheit 15 kann ein im Handel erhältlicher Lock-in-Verstärker verwendet werden. Der Lock-in-Verstärker kann ein Signal mit der vorgegebenen Frequenzkomponente (Modulationsfrequenzkomponente) ω aus einem Photodetektionssignal extrahieren und eine Amplitude M sowie eine Phasenverzögerung Φ des Signals erfassen. Hierbei benutzt er ein mit dem modulierten Licht synchronisiertes Signal mit einer Winkelfrequenz ω als Referenzsignal.
Im oben genannten Fall sind Gleichstromkomponenten m_dc der Photodetektionssignale aus den Photodetektoren 12 und 13 Werte bei ω = 0, die Lichtmengen I in Formel (18) oder Formel (20) entsprechen. Solche Gleichstromkomponenten m_dc lassen sich ohne Weiteres mithilfe eines Tiefpassfilters extrahieren. Dementsprechend kann die obige dritte Ausführungsform anstelle der Amplituden der Signale mit der vorgegebenen Winkelfrequenz ω die an den Positionen mit den Detektionsabständen r₁ und r₂ für die vorgegebenen Wellenlängen erfassten Gleichstromkomponenten m_dc verwenden.
Wenn die obige Messung zu unterschiedlichen Zeitpunkten durchgeführt wird, kann des Weiteren selbstverständlich eine zeitliche Änderung der Konzentration des absorptions fähigen Bestandteils gemessen werden. Des Weiteren kann eine räumliche Verteilung der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils gemessen werden, wenn die Einfallsposition des Lichts und die Lichterfassungspositionen bezüglich des streuenden Mediums 20 bei der obigen Anordnung relativ synchron abgetastet (nicht gezeigt) werden. Hierbei kann ein Photodetektionssystem mit mehreren Kanälen benutzt werden.
Wenn die oben beschriebene dritte Ausführungsform so modifiziert wird, dass sie das Licht mit drei Wellenlängen verwendet, kann sie die Konzentrationen von zwei absorptionsfähigen Bestandteilen in einem streuenden Medium messen, das die beiden absorptionsfähigen Bestandteile enthält, oder eine Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium, das zahlreiche absorptionsfähige Bestandteile enthält, und eine Gesamtkonzentration der anderen absorptionsfähigen Bestandteile. Allgemeiner ausgedrückt können Konzentrationen von m absorptionsfähigen Bestandteilen unter Verwendung von Licht mit (m + 1) Wellenlängen gemessen werden. Zusätzlich dazu kann die Messgenauigkeit verbessert werden, indem Licht mit mehr als (m + 1) Wellenlängen verwendet wird.
Die obige Verarbeitung wird normalerweise mit hoher Geschwindigkeit von einem Computer durchgeführt, der mit einem Speicher und einem Bildschirm ausgestattet ist.
Vierte Ausführungsform
Die vorliegende Ausführungsform entsteht durch derartiges Modifizieren der dritten Ausführungsform, dass das sinusmodulierte Licht mit der vorgegebenen Frequenz und den Wellenlängen λ₁ und λ₂, das bei der dritten Ausführungsform von der Lichtquelle erzeugt wird, durch moduliertes Licht mit vorgegebener Wiederholungsfrequenz (Modulationsfrequenz) und einer beliebigen Wellenform ersetzt wird.
Zwar verwendete die dritte Ausführungsform das sinusmodulierte Licht mit der vorgegebenen Winkelfrequenz, die Technik der dritten Ausführungsform lässt sich jedoch unverändert auf eine bestimmte Frequenzkomponente in einer beliebigen Wellenform des modulierten Lichts anwenden, solange diese die vorgegebene Frequenzkomponente enthält. Periodisch gepulstes Licht enthält beispielsweise Frequenzkomponenten mit der Wiederholungsfrequenz und ganzzahlige Vielfache davon, und somit kann die Technik der dritten Ausführungsform in unveränderter Form auf beide Frequenzkomponenten angewendet werden. Die erforderliche Leistung des modulierten Lichts mit der vorgegebenen Wiederholungsfrequenz besteht in einer stabilen Wiederholungsfrequenz und einer stabilen Lichtintensität.
Das Verfahren und die Vorrichtung zum Messen der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen, wie oben beschrieben, eine Absolutwertmessung der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium, das eine beliebige Form mit Flächen aufweist, die kein Wiedereintreten von Licht gestatten. Des Weiteren ermöglicht die Erfindung das Messen der zeitlichen Änderung oder räumlichen Verteilung der Konzentration. Des Weiteren erhöht sich der Nutzfaktor von Licht sowie das Signal-Rausch-Verhältnis, weil die Messvorrichtung, bei der die vorliegende Erfindung angewendet wird, die Messparameter in Form einer Zeitintegration von Lichtsignalen verwendet, und somit lässt sich eine hohe Messgenauigkeit erzielen. Dementsprechend ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Echtzeitmessung einer Sauerstoffmenge im Gehirn, einer Sauerstoffmenge in einem Beinmuskel eines sporttreibenden Menschen und einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem lebenden Baum usw.
Aus den hiermit beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung dürfte ersichtlich sein, dass sie auf verschiedene Weise variiert werden können. Solche Variationen dürfen nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung betrachtet werden, und sämtliche derartigen Modifikationen, die für Fachleute offensichtlich sind, sollen in den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche fallen.

Claims

Verfahren zum Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium, das Folgendes umfasst: Emittieren von Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen, bei denen Streukoeffizienten gleich oder im Wesentlichen gleich sind, zu einem streuenden Medium, bei dem es sich um ein gemessenes Objekt handelt, wobei die einfallenden Lichtintensitäten bei jeder vorgegebenen Wellenlänge gleich oder bekannt sind, Einfallenlassen des Lichts an einer Lichteinfallsposition in das streuende Medium und sich Ausbreitenlassen des Lichts durch das streuende Medium, Erfassen des Lichts, das sich durch das streuende Medium ausgebreitet hat, an einem oder mehreren Photodetektionspunkten, die sich von der Lichteinfallsposition unterscheiden, wodurch ein oder mehrere Photodetektionssignale erhalten werden, und Erfassen von Lichtmengen und durchschnittlichen Laufweglängen an dem einen oder den mehreren Photodetektionspunkten für die jeweiligen Wellenlängen von Licht auf der Grundlage des einen oder der mehreren Photodetektionssignale, Ermitteln einer Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils durch Rechenverarbeitung unter Verwendung der Lichtmengen und der durchschnittlichen Laufweglängen auf der Grundlage einer vorgegebenen Beziehung zwischen den Lichtmengen, der durchschnittlichen Laufweglängen und einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorptions fähigen Bestandteils für die jeweiligen Lichtwellenlängen, wobei es sich bei der vorgegebenen Beziehung um eine Beziehung handelt, die daraus abgeleitet wird, dass eine partielle Differentiation eines natürlichen Logarithmus einer in Bezug auf einen Absorptionskoeffizienten erfassten Lichtmenge gleich einer durchschnittlichen Laufweglänge ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln einer Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils durch Rechenverarbeitung das Ermitteln der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium durch Rechenverarbeitung unter Verwendung der Lichtmengen und der durchschnittlichen Laufweglängen auf der Grundlage einer Beziehung umfasst, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird: V = (ε2 – ε1)–1 ×[p<L1(λ1)> + (1 –p)L1(λ2)]–1 × ln[I1(λ1)/I1(λ2)]wobei V: die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils, ε₁: der Absorptionskoeffizient pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für Licht mit der Wellenlänge λ₁, ε₂: der Absorptionskoeffizient pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für Licht mit der Wellenlänge λ₂, <L₁(λ₁)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₁ an einem Photodetektionspunkt r₁, <L₁(λ₂)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₁, I₁(λ₁): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit der Wellenlänge λ₁ an dem Photodetektionspunkt r₁, I₁(λ₂): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₁ und p: ein vorgegebener Wert ist, der 0 ≤ p ≤ 1 genügt.
Verfahren zum Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium, das Folgendes umfasst: Emittieren von Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen, bei denen Streukoeffizienten gleich oder im Wesentlichen gleich sind, zu einem streuenden Medium, bei dem es sich um ein gemessenes Objekt handelt, wobei die einfallenden Lichtintensitäten bei jeder vorgegebenen Wellenlänge gleich oder bekannt sind, Einfallenlassen des Lichts an einer Lichteinfallsposition in das streuende Medium und sich Ausbreitenlassen des Lichts durch das streuende Medium, Erfassen des Lichts, das sich durch das streuende Medium ausgebreitet hat, an einem oder mehreren Photodetektionspunkten, die sich von der Lichteinfallsposi tion unterscheiden, wodurch ein oder mehrere Photodetektionssignale erfasst werden, und Erfassen von Lichtmengen und durchschnittlichen Laufweglängen an dem einen oder den mehreren Photodetektionspunkten für die jeweiligen Wellenlängen von Licht auf der Grundlage des einen oder der mehreren Photodetektionssignale, Ermitteln einer Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils durch Rechenverarbeitung unter Verwendung der Lichtmengen und der durchschnittlichen Laufweglängen auf der Grundlage einer vorgegebenen Beziehung zwischen den Lichtmengen, den durchschnittlichen Laufweglängen und einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für die jeweiligen Lichtwellenlängen, wobei es sich bei der vorgegebenen Beziehung um eine Beziehung handelt, die daraus abgeleitet wird, dass eine partielle Differentiation eines natürlichen Logarithmus einer in Bezug auf einen Absorptionskoeffizienten erfassten Lichtmenge gleich einer durchschnittlichen Laufweglänge ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln einer Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils durch Rechenverarbeitung das Ermitteln der Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium durch Rechenverarbeitung unter Verwendung der Lichtmengen und der durchschnittlichen Laufweglängen auf der Grundlage einer Beziehung umfasst, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird: V = (ε2 – ε1)–1 ×[p<L1(λ1)> + (1 –p)L1(λ2)]> –q<L2(λ2)> – (1 –q)L2(λ2)–1 × ln{[I1(λ1)·I2(λ2)]/[I1(λ2)·I2(λ2)]}wobei V: die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils, ε₁: der Absorptionskoeffizient pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für Licht mit der Wellenlänge λ₁, ε₂: der Absorptionskoeffizient pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für Licht mit der Wellenlänge λ₂, <L₁(λ₁)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₁ an einem Photodetektionspunkt r₁, <L₁(λ₂)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₁, <L₂(λ₁)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₁ an einem Photodetektionspunkt r₂, <L₂(λ₂)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₂, I₁(λ₁): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit einer Intensität B₁ und der Wellenlänge λ₁ an dem Photodetektionspunkt r₁, I₁(λ₂): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit einer Intensität B₂ und der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₁, I₂(λ₁): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit einer Intensität B₁ und der Wellenlänge λ₁ an dem Photodetektionspunkt r₂, I₂(λ₂): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit einer Intensität B₂ und der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₂, p: ein vorgegebener Wert, der 0 ≤ p ≤ 1 genügt, und q: ein vorgegebener Wert ist, der 0 ≤ q ≤ 1 genügt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen um gepulstes Licht handelt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen um sinusmoduliertes Licht mit einer vorgegebenen gemeinsamen Modulationsfrequenzkomponente handelt, wobei die Lichtmengen durch Amplituden der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente beschrieben werden, die in den Photodetektionssignalen enthalten sind, und wobei die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen um sinusmoduliertes Licht mit einer vorgegebe nen gemeinsamen Modulationsfrequenzkomponente handelt, wobei die Lichtmengen mithilfe von Gleichstromkomponenten der Photodetektionssignale beschrieben werden und wobei die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente berechnet werden, die in den Photodetektionssignalen enthalten sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen um moduliertes Licht mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente handelt, wobei die Lichtmengen durch Amplituden der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente oder einer Frequenzkomponente eines ganzzahligen Vielfachen davon beschrieben werden, die in den Photodetektionssignalen enthalten sind, und wobei die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente oder der Frequenzkomponente des ganzzahligen Vielfachen davon berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen um moduliertes Licht mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente handelt, wobei die Lichtmengen durch Gleichstromkomponenten der Photodetektionssignale beschrieben werden und wobei die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente oder einer Frequenzkomponente eines ganzzahli gen Vielfachen davon berechnet werden, die in den Photodetektionssignalen enthalten sind.
Vorrichtung zum Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium, die Folgendes umfasst: eine Lichtquelle (2) zum Emittieren von Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen, bei denen Streukoeffizienten gleich oder im Wesentlichen gleich sind, zu einem streuenden Medium, bei dem es sich um ein gemessenes Objekt handelt, wobei die einfallenden Lichtintensitäten bei jeder vorgegebenen Wellenlänge gleich oder bekannt sind, ein Lichteinfallmittel (5), das so ausgelegt ist, dass es das Licht an einer Lichteinfallsposition in das streuende Medium einfallen und sich durch das streuende Medium ausbreiten lässt, Photodetektionsmittel (12, 13) zum Erfassen des Lichts, das sich durch das streuende Medium ausgebreitet hat, an einem oder mehreren Photodetektionspunkten, die sich von der Lichteinfallsposition unterscheiden, um ein oder mehrere Photodetektionssignale zu erfassen, und ein Parametererfassungsmittel (15) zum Erfassen von Lichtmengen und durchschnittlichen Laufweglängen an dem einen oder den mehreren Photodetektionspunkten für die jeweiligen Lichtwellenlängen auf der Grundlage des einen oder der mehreren Photodetektionssignale, wobei ein Rechenverarbeitungsmittel (16) zum Ermitteln einer Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils durch Rechenverarbeitung unter Verwendung der Lichtmengen und der durchschnittlichen Laufweglängen auf der Grundlage einer vorgegebenen Beziehung zwischen den Lichtmengen, den durchschnittlichen Laufweglängen und einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für die jeweiligen Lichtwellenlängen angeordnet ist und wobei es sich bei der vorgegebenen Beziehung um eine Beziehung handelt, die daraus abgeleitet wird, dass eine partielle Differentiation eines natürlichen Logarithmus einer in Bezug auf einen Absorptionskoeffizienten erfassten Lichtmenge gleich einer durchschnittlichen Laufweglänge ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenverarbeitungsmittel (16) die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium durch Rechenverarbeitung unter Verwendung der Lichtmengen und der durchschnittlichen Laufweglängen auf der Grundlage einer Beziehung ermittelt, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird: V = (ε2 – ε1)–1 ×[p<L1(λ1)> + (1 –p)L1(λ2)]–1 × ln[I1(λ1)/I1(λ2)]wobei V: die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils, ε₁: der Absorptionskoeffizient pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für Licht mit der Wellenlänge λ₁, ε₂: der Absorptionskoeffizient pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für Licht mit der Wellenlänge λ₂, <L₁(λ₁)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₁ an einem Photodetektionspunkt r₁, <L₁(λ₂)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₁, I₁(λ₁): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit der Wellenlänge λ₁ an dem Photodetektionspunkt r₁, I₁(λ₂): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₁ und p: ein vorgegebener Wert ist, der 0 ≤ p ≤ 1 genügt.
Vorrichtung zum Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium, die Folgendes umfasst: eine Lichtquelle (2) zum Emittieren von Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen, bei denen Streukoeffizienten gleich oder im Wesentlichen gleich sind, zu einem streuenden Medium, bei dem es sich um ein gemessenes Objekt handelt, wobei die einfallenden Lichtintensitäten gleich oder bekannt sind, ein Lichteinfallmittel (5), das so ausgelegt ist, dass es das Licht an einer Lichteinfallsposition in das streuende Medium einfallen und sich durch das streuende Medium ausbreiten lässt, Photodetektionsmittel (12, 13) zum Erfassen des Lichts, das sich durch das streuende Medium ausgebreitet hat, an einem oder mehreren Photodetektionspunkten, die sich von der Lichteinfallsposition unterscheiden, um ein oder mehrere Photodetektionssignale zu erfassen, und ein Parametererfassungsmittel (15) zum Erfassen von Lichtmengen und durchschnittlichen Laufweglängen an dem einen oder den mehreren Photodetektionspunkten für die jeweiligen Lichtwellenlängen auf der Grundlage des einen oder der mehreren Photodetektionssignale, wobei ein Rechenverarbeitungsmittel (16) zum Ermitteln einer Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils durch Rechenverarbeitung unter Verwendung der Lichtmengen und der durchschnittlichen Laufweglängen auf der Grundlage einer vorgegebenen Beziehung zwischen den Lichtmengen, den durchschnittlichen Laufweglängen und einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für die jeweiligen Lichtwellenlängen angeordnet ist und wobei es sich bei der vorgegebenen Beziehung um eine Beziehung handelt, die daraus abgeleitet wird, dass eine partielle Differentiation eines natürlichen Logarithmus einer in Bezug auf einen Absorptionskoeffizienten erfassten Lichtmenge gleich einer durchschnittlichen Laufweglänge ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Rechenverarbeitungsmittel die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils in dem streuenden Medium durch Rechenverarbeitung unter Verwendung der Lichtmengen und der durchschnittlichen Laufweglängen auf der Grundlage ei ner Beziehung ermittelt, die durch die folgende Formel ausgedrückt wird: V =(ε2 – ε1)–1 ×[p<L1(λ1)> + (1 –p)L1(λ2)]> –q<L2(λ1)> – (1 –q)L2(λ2)>]–1 × ln{[I1(λ1)·I2(λ2)]/[I1(λ2)·I2(λ1)]}wobei V: die Konzentration des absorptionsfähigen Bestandteils, ε₁: der Absorptionskoeffizient pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für Licht mit der Wellenlänge λ₁, ε₂: der Absorptionskoeffizient pro Konzentrationseinheit des absorptionsfähigen Bestandteils für Licht mit der Wellenlänge λ₂, <L₁(λ₁)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₁ an einem Photodetektionspunkt r₁, <L₁(λ₂)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₁, <L₂(λ₁)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₁ an einem Photodetektionspunkt r₂, <L₂(λ₂)>: die durchschnittliche Laufweglänge für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₂, I₁(λ₁): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit einer Intensität B₁ und der Wellenlänge λ₁ an dem Photodetektionspunkt r₁, I₁(λ₂): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit einer Intensität B₂ und der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₁, I₂(λ₁): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit einer Intensität B₁ und der Wellenlänge λ₁ an dem Photodetektionspunkt r₂, I₂(λ₂): die Menge des erfassten Lichts für das Licht mit einer Intensität B₂ und der Wellenlänge λ₂ an dem Photodetektionspunkt r₂, p: ein vorgegebener Wert, der 0 ≤ p ≤ 1 genügt, und q: ein vorgegebener Wert ist, der 0 ≤ q ≤ 1 genügt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen um gepulstes Licht handelt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen um sinusmoduliertes Licht mit einer vorgegebenen gemeinsamen Modulationsfrequenzkomponente handelt, wobei die Lichtmengen durch Amplituden der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente beschrieben werden, die in den Photodetektionssignalen enthalten sind, und wobei die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente berechnet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen um sinusmoduliertes Licht mit einer vorgegebenen gemeinsamen Modulationsfrequenzkomponente handelt, wobei die Lichtmengen durch Gleichstromkomponenten der Photodetektionssignale beschrieben werden und wobei die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente berechnet werden, die in den Photodetektionssignalen enthalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wellenlängen um moduliertes Licht mit einer vorgegebenen gemeinsamen Modulationsfrequenzkomponente handelt, wobei die Lichtmengen durch Amplituden der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente oder einer Frequenzkomponente eines ganzzahligen Vielfachen davon beschrieben werden, die in den Photodetektionssignalen enthalten sind, und wobei die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente oder der Frequenzkomponente des ganzzahligen Vielfachen davon berechnet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der es sich bei dem Licht mit zwei oder mehreren vorgegebenen Wel lenlängen um moduliertes Licht mit einer vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente handelt, wobei die Lichtmengen durch Gleichstromkomponenten der Photodetektionssignale beschrieben werden und wobei die durchschnittlichen Laufweglängen aus Phasenverzögerungen der vorgegebenen Modulationsfrequenzkomponente oder einer Frequenzkomponente eines ganzzahligen Vielfachen davon berechnet werden, die in den Photodetektionssignalen enthalten sind.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14 zum Messen einer Konzentration eines absorptionsfähigen Bestandteils in einem streuenden Medium.