DD300132A5 - Einrichtung und verfahren zum nachweisen und messen der konzentration von substanzen in einer probe durch optoakustische spektroskopie - Google Patents

Abstract

Eine Einrichtung und ein Verfahren zum Nachweisen und Messen der Konzentration von Substanzen in einer Probe durch optoakustische Spektroskopie, wobei Licht ausgewaehlter diskreter Frequenzen auf eine Probe gerichtet wird und die akustische Reaktion der Probe nachgewiesen wird. Die Frequenzen werden gemaesz dem optoakustischen Spektrum der zu untersuchenden Substanz ausgewaehlt, um die Substanz von anderen zu unterscheiden. Als Lichtquelle wird ein Laser verwendet und gesteuert, um Licht in Impulsen auszusenden, und eine piezoelektrische Einrichtung wird verwendet, um die akustische Reaktion nachzuweisen. Es kann Licht mit mehreren Frequenzen oder ein frequenzabstimmbarer Laser verwendet werden, wobei das Aussenden der Impulse im wesentlichen gleichzeitig erfolgt. Die Einrichtung und das Verfahren sind insbesondere zum Nachweisen der Anwesenheit von Substanzen in vivo geeignet, beispielsweise den Nachweis von Zucker im Blutstrom, und es wird die Notwendigkeit vermieden, die Haut zu durchstechen, und die Einrichtung kann so aufgebaut sein, dasz sie vom Patienten getragen werden kann, sie sind jedoch auch fuer in vitro-Untersuchungen der Substanzen geeignet, bei welchen die Einrichtung persoenlich getragen werden kann zur Verwendung auf der Tischoberflaeche oder so angepaszt ist, um einen kontinuierlichen Prozesz durch kontinuierliches Abnehmen und Untersuchen der Proben aus der Hauptprozeszleitung zu beobachten. Fig. 1{Konzentration einer Substanz; optoakustische Spektroskopie; diskrete Frequenz; Laser; Licht; Impuls; in vivo; in vitro; Zucker; Blutstrom; kontinuierlicher Prozesz}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Einrichtungen zur Messung der Konzentration von Substanzen in Proben durch opto- oder fotoakustische Spektroskopie.

Charakteristik des bekannton Standes der Technik

Opto- oder fotoakustische Spektroskopie sind Techniken, die zur Identifizierung und Analyse verschiedener Sustanzen in einer Lösung oder einem flüssigen Medium oder Feststoffgasen verwendet werden. Sie stützen sich auf die Tatsache, daß sie infolge der Art der Moleküle der Substanz nur bei spezifischen Frequenzen Lichtenergie absorbieren. Die tatsächliche molekulare Zusammensetzung und Struktur bestimmt, welche Frequenzen absorbiert werden und welche nicht, und jede,verschiedenartige Substanz absorbiert Lichtenergie bei einer einzigartigen Reihe von Frequenzen. Da jede Substanz laut Definition eine verschiedene molekulare Struktur aufweist, können die Frequenzmuster, bei denen Licht absorbiert wird, die Substanzen bestimmen. Außerdem hängt die Stärke der Absorption davon ab, wieviel von der Substanz vorhanden ist (Konzentration). Wenn eine Lichtabsorption auftritt, werden die das Licht absorbierenden Moleküle erwärmt und können daher eine akustische Stoßwelle erzeugen. Diesa Stoßwelle wird von einem akustischen Sensor aufgenommen und dazu verwendet, das Licht anzuzeigen, das absorbiert wird. Es muß jedoch festgestellt werden, daß die Wärmewirkung sehr kurz und sehr schnellwirkend ist. Es ist möglich, von dem akustischen Signal abzuleiten, wieviel Licht der Frequenz, das projiziert wurde, absorbiert worden ist, und damit die Konzentration in dem beleuchteten Bereich der bei der Prüfung befindlichen Substanz. Tatsächlich wird eine Probe nicht kontinuierlich beleuchtet, dafür wird sie jedoch entweder durch Lichtimpulse oder durch einen helligkeitsmodulierten Lichtstrahl beleuchtet. Die Verwendung von Impulslicht ist als optoakustische Spektroskopie und die Verwendung eines modulierten Lichtstrahls als fotoakustische Spektroskopie populär und bekannt geworden; in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen wird jedoch der Ausdruck optoakustische Spektroskopie benutzt, um beide Techniken einzuschließen.

Nun, viele dringliche und nichtdringliche medizinische Verfahren basieren auf einer genauen Diagnose der Kondition des Patienten, und oft ist die Diagnose von pathologischen Untersuchungen abhängig. Diese weisen häufig die Form von Blut- oder Urintests auf. Eine Blutprobe wird in typischer Weise abgenommen und zu einem Labor zur Analyse geschickt, wo sie optisch geprüft und mit Nachweisstoffen vermischt wird, welche das Vorhandensein und die Konzentration der Substanzen zeigen, welche die Basis der Diagnose und Behandlung des medizinischen Praktikers bilden.

Ferner erfordern viele medizinische Bedingungen ein häufiges Beobachten des Blutes, um die Arzneimittelmengen für dun Krankheitszustand zu bemessen. Das vom Krankheitszustand am meisten abhängende Ergebnis ist möglicherweise die Zuckerkrankheit. Insulinabhängige Diabetiker, die ernsthaft krank sind, können zu jeder Stunde Blutuntersuchungen erforderlich machen. Normalerweise möchten insulinabhägige Diabetiker ihren eigenen Blutzuckerspiegel viermal täglich an zwei Tagen in der Woche beobachten.

Bisher sind alle basischen Blutuntersuchungen von der Vornahme einer Blutprobe abhängig und der Tatsache ausgesetzt, daß sich die Probe für die Analyse außerhalb des Körpers des Patienten befindet. Dieser grundlegende Umstand ruft bei dem Patienten Unbehagen hervor und ist eine Quelle potentieller Fehler; es gibt kein vollkommen schmerzloses Mittel der Blutentnahme. Es können tragbare Geräte, beispielsweise Glukometer, verwendet werden, um eine Analyse am Krankenbett auszuführen, indem ein Reagenzstreifen verwendet wird, aber es wird eine Finger-.Lanze" verwendet, um einen Bluttropfen zu erhalten, und das ist schmerzhaft, und viele schlafende Patienten wurden wach werden. Diese Prozedur nimmt, wenn sie jede halbe Stunde, Tag und Nacht bei einem Patienten in einem kritischen Zustand wiederholt wird, dem Patienten die Fähigkeit, Nutzen aus der Ruhepause im Schiaf zu ziehen.

Komplexere pathologische Versuche müssen in einem Laboratorium durchgeführt werden. Die Proben müssen zu und von einzelnen Stellen in einem Krankenhaus transportiert werden und auf diese Weise müssen die Ärzte oft stundenlang warten, bis ein Ergebnis bekannt ist.

Die Urinologie ist auch ein wichtiger Teil der Pathologie. Die Urinüberwachung wird sehr oft in der täglichen Krankenhausarbeit durchgeführt, die benutzte Technologie ist sogar weniger effizient als diejenige, dia bei der Durchführung von Blutuntersuchungen verwendet wird. Die Verfahren sind sehr laborintensiv:

a) die Probe wird von dem Patienten abgonommen.

b) Wenn das Personal Zeit hat, werden die Grundversuche mit Reagenzstreifon für die Näherungen der Glukose, Ketone, des Säuregrades etc. durchgeführt.

c) Proben, welcho anzeigen, daß eine weitere Aufmerksamkeit erwünscht ist, oder diejenigen Proben von Patienten, welche eine detaillierte Analyse erfordern, werdet) in sterile Sehälter eingebracht und beschriftet.

d) Die bezeichneten Proben werden eventuell durch einen Krankenhauspfleger aufgenommen und zum Laboratorium gebracht. Die Wertminderung dor Probe kann einige Ergebnisse verdunkeln; dies ist direkt auf die Zeitverzögerung bezogen. In der allgemeinen Praxis kann diese Zeitverzögerung eine Sache von Tagen sein. Die Probe nuß sehr oft über Nacht gekühlt werden. Das Niveau der verunreinigenden Organismen kann sich bei Raumtemperatur vervielfachen; das kann die Versuchsergebnisse in Unordnung bringen oder entkräften.

e) Nach dem Eintreffen im Laboratorium benutzen geübte Techniker eine teure Anlage und benötigen eine beträchtliche Auswertungszeit für jede Probe.

f) Die Ergebnisse werden auf eine Standardform aufgenommen, die zu verarbeiten ist, damit sie ihren Weg zu der einreichenden Krankenhausstation zurückfindet oder zu den Patientenaufnahmen in der Verwaltung. Dem Patientenarzt muß dann das Ergebnis mitgeteilt werden, wenn es unnormal ist und der Doktor muß es wiederum dem Patienten mitteilen.

Dies bedeutet zweifellos Zeit und ist eine Arbeit verbrauchende Aufgabe. Außerdem ist die benutzte Anlage in dem urinologischen Laboratorium sehr teuer und sogar die computerisierte Reagenzanlage ist ziemlich arbeitsintensiv. In der Wissenschaft und in der Industrie gibt es zahllose Situationen, in welchen eine detaillierte Analyse der chemischen Bestandteile von Flüssigkeiten erforderlich ist. Wenn beispielsweise die Dispersion von Schadstoffen in Wasser beobachtet wird, müssen zahlreiche Proben genommen, zu einem Laboratorium gebracht und eine Reihe von Versuchen mit ihnen durchgeführt werden. In der Fertigungsindustrie werden Flüssigkeiten verwendet, die chemische Konzentrationen aufweisen müssen, welche in einen ongen Variationsbereich fallen. Regelmäßige Proben müssen abgenommen und die Anlage muß entsprechend eingestellt werden. Die Nahrungsmittelverarbeitung beschäftigt sich typischerweise mit großen Flüssigkeitsvolumina, welche sich nach den gegebenen Standards richten müssen, beispielsweise Salzhaltigkeit, Alkohol oder Zuckergehalt. Die Zeit, die zur Durchführung dieser Versuche durch herkömmliche Mittel erforderlich ist, erzeugt die größere Veränderung in dem Herstellungsprozeß und addiert sich zu den Produktionskosten.

Bisher waren chemische Versuche in starkem Maße von auf Reagenz basierenden Versuchen und Spektroskopieverfahren abhängig, welche eine große teure Anlage mit zugehörigem Spezialistenpersonal und Einrichtungen umfassen. Es sind Proben genommen worden, manchmal mit Unterbrechung des Produktionsprozesss, und eine wesentliche Zeitverzögerung entsteht zwischen der Probenahme und den verfügbar gemachten Daten, um die Anlage zurückzustellen. Diese Probleme bedeuten, daß im allgemeinen nur solche Versuche, die abcolut notwendig sind, durchgeführt werden, und jene Versuche, welche lebenswichtig sind, erfolgen in einem maximalen Abstand. Dies bedeutet eine ausgeprägte Veränderung in der Reinheit des Endprodukts, da eine Periode eines Fehlers akzeptiert wird und in den fertiggestellten Gegenstand „eingebaut" ist. In der Zeit zwischen jedem Versuch, in der das Ergebnis vervollständigt wird, ist der Produktionsingenieur im wesentlichen arbeitsblind. Man geht ein Risiko ein, wenn eine unerwartet veränderliche Größe die Bestandteile wesentlich zwischen den Versuchsprozeduren verändert. Die auf dem Gebiet genommenen Proben werden oft über die Zeit hinweg verfälscht. Wenn zwischen der Probenahme und der Untersuchung eine lange Zeit vergeht, kann sich die Flüssigkeit während der Zeit, bis sie tatsächlich analysiert wird, verändert haben.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die genannten Nachteile des Standes der Technik weitgehend zu vermeiden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Nachweisen und Messen der Konzentration der Substanzen in einer Probe zur Verfügung zu stellen.

Nach der Erfindung wird eine Einrichtung zur Feststellung der Konzentration einer Substanz in einer Probe durch optoakustische Spektroskopie geschaffen, einschli ßlich einer Sensoreinheit, die eine Lichtquelle zur Aussendung von Licht in die Probe und einen akustischen Sensor zum Empfang der akustischen Erwiderung von der Probe bei der Untersuchung enthält, wobei die Lichtquelle zur Aussendung von Licht einer Frequenz oder einer Vielzahl diskreter Frequenzen geeignet ist, wobei die Frequenz oder die Frequenzen in Übereinstimmung mit dem optoakustischen Spektrum der Substanz bei der Untersuchung liegen.

Das Licht wird vorzugsweise vielmehr in Impulsen kontinuierlich ausgesendet, und für den Fall, daß die Probe durch Licht unterschiedlicher Frequenzen beleuchtet wird, sollten die Impulse bei den verschiedenen Frequenzen im wesentlichen gleichzeitig, vorzugsweise ungefähr mit einem Abstand von zehn MikroSekunden, voneinander ausgesendet werden. Die Lichtquelle ist in geeigneter Weise ein Halbleiterlaser und dieser ist in einem Gehäuse eingebaut, das einen akustischen Sensor, beispielsweise ein piezoelektrisches Bauelement, zum Empfang der akustischen Reaktion von der zu untersuchenden Probe enthält. Der akustische Sensor kann um die Lichtquelle angeordnet sein oder kann alternativ eine Vielzahl physisch getrennter Sensoren umfassen, die auf dem Gehäuse mit ihren miteinander verbundenen Ausgängen angeordnet sind. Der Sensor enthält vorzugsweise weiter eine Fotodiode und eine Fotozelle, um ein Reflexionsvermögen zu ermöglichen, und bei einigen Ausführungsformen die Durchlässigkeitsmessungen, die an der Probe auszuführen sind. Die Einrichtung kann auch einen Temperatursensor enthalten, beispielsweise ein schnellansprechendes Halbleiterbauelement, um es zu ermöglichen, daß die Temperatur auf der Probe gemessen wird.

Nach einem weiteren Aspekt schafft dio Erfindung eine Einrichtung zur Messung der Konzentration der Substanzen in einer Körperflüssigkeit, die dazu geeignet ist, die Messung in vivo auszuführen, und zwar auf Grund der Tatsache, daß sie eine Lichtquelle zur Aussenciung von Licht in den zu untersuchenden Körper und einen akustischen Sensor zum Nachweis der akustischen Reaktion des Körpers trägt, um die Konzentration der genannten Substanz durch optoakustische Spektroskopie zu messen.

Die Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren zum Nachweis einer Substanz in einer Körperflüssigkeit, das den Schritt des Nachweises der Substanz in vivo durch optoakustische Spektroskopie enthält.

Die Einrichtung weist vorzugsweise eine solche Größe und Form auf, daß sie persönlich tragbar ist, und sie enthält Mittel zum Befestigen am menschlichen oder tierischen Körper, beispielsweise ein Armband. Die Einrichtung kann auch Mittel zum Beobachten de: Kerperherzschlages enthalten; das kann entweder durch Beobachten des Signals von dem verwendeten piezoelektrischen 'Bauelement bei der Untersuchung mittels optoakustischer Spektroskopie oder durch Verwenden einer getrennten Fotodiode und Fotozelle zur Beobachtung des Lichts hinsichtlich des Reflexionsvermögens des Körpers bei einer Frequenz, die dutch das Blut absorbiert wird, erfolgen. Außerdem kann die Schaltungsanordnung, die die Erregung der Lichtquellen für die optoakustische Spektroskopie steuert, Mittel zur Zeiteinstellung der Erregung der Lichtquellen in bezug auf den Herzschlag enthalten.

Die Erfindung schafft weiterhin eine Einrichtung zur Meßwerterfassung einer Substanz in dem menschlichen oder tierischen Kc rper, wobei die Substanz durch optoakustische Spektroskopie abgetastet wird, und die Beleuchtung des Körpers für die Untersuchung wird in einer zeitlich bemessenen Relation zum Herzschlag des zu untersuchenden Körpers gesteuert. Dio Lichtquelle für die optoakustische Bewegung ist vorzugsweise dazu geeignet, Licht bei einer aus einer Vielzahl von verschiedenen diskreten Frequenzen auszusenden, wobei sich die Frequenz oder Frequenzen in Relation zu dem optoakustischen Spektrum der zu untersuchenden Substanz befinden.

Die Einrichtungen sind vorzugsweise mit Mitteln zum Empfangen der Ergebnisse der optoakustischen Spektroskopieuntersuchung und auch mit Mitteln zur Aufzeichnung der Zeit in bezug auf den Herzschlag, boi welchem die Untersuchung erfolgte, ausgestartet.

In geeigneter Weise ist ein Mikroprozessor vorgesehen, der die Erregung der verschiedenartigen Dioden steuert und die empfangenen Signale interpretiert. Die Signale können kalibriert und angezeigt oder zu einer anderen Steuerung oder Aufzeichnungsvorrichtung vermittelt werden. Daher kann die Einrichtung eine relativ schnelle und/oder kontinuierliche Anzeige der Konzentration bestimmter Blutbestandteile angeben.

Der Mikroprozessor diagnostiziert automatisch in vorteilhafterweise einen Ausfall der Laserdioden und zeigt einen „Störungs"-Alarm an.

. Der Laser oder die Laser werden vorzugsweise nicht nur auf eine charakteristische Frequenz der zu untersuchenden Substanz abgestimmt, sondern auch dahingehend, um in dem Laser ein therapeutisches Hautfenster des zu untersuchenden Körpers zu steuern.

Bei diesem Aspekt der Erfindung kann ein breiter Bereich der Substanzen untersucht werden, beispielsweise die Bestandteile des Blutes, Urin, Tränenkanalfluid, Knochenmark, Rückenmarkfluide, Gesichts- und Nasensekretionen. Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden das Vorhandensein von Medikamenten, Gasen, Toxinen, Verunreinigungssubstanze'n und Metallen und die spektroskopischen Reaktionsproben der Gesamtkrankheitszustände nachzuweisen, beispielsweise Gelenkentzündung, Lupis, Porphyrias Diabetes, Karzinome, AIDS und Anämie und das Vorhandensein von Bakterien und Informationen bereitzustellen zur Bevölkerungsdichte, Entwicklungsstufe, Art oder Empfindlichkeit gegenüber Antibiotika. Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden !Erfindung wird eine Einrichtung für die In-vitro-Unteisuchung von Substanzen geschaffen unter Verwendung der Technik der optoakustischen Spektroskopie. In dieser Einrichtung können die Sensoren um einen Hohlraum angeordnet sein, welcher einen Behälter für eine Probe, beispielsweise ein Testrohr, aufnimmt. Der Hohlraum enthält vorzugsweise einen Probesensor zur Wahrnehmung des physischen Vorhandenseins der Probe, und Mittel, die auf den Probensensor zum Bewegen der anderen Sensoren in dem Gehäuse in der Lage zur Untersuchung reagieren, und zwar in geeigneter Weise an der Seite des Testrohrs.

Die Einrichtung kann alternativ so aufgebaut sein, daß die Sensoien elastisch getragen werden, und das Probenrohr ist eine festsitzende Fassung in dem Gehäuse in Berührung mit den Sensoren.

Vorzugsweise ist die Einrichtung oine in sich geschlossene tragbare Einheit, so daß sie auf einem Tisch verwendet werden kann. Die Einrichtung kann mit einer Vielzahl von Sensoren ausgestattet sein, getrennt von dem Laser und dem erforderlichen piezoelektrischen Sensor für die optoakustische Spektroskopie, genau wie in der obenbeschriebanen Einrichtung für In-vivo-Messungen. Auf diese Weise können der Lichtdurchlässigkeitsgrad, das Reflexionsvermögen und u J Temperatur der Probe gemessen werden.

Die Signalverarboitungs- und Lasertreiberschaltung kann im allgemeinen dieselbe wie bei den obigen Aspekten der vorliegenden !"rf indung sein. Es ist inü Auge gefaßt, daß die Tisch-in vitro-Einrichtung mit einer Vielzahl von Lasern ausgestattet sein könnte, die bei verschiedenen Frequenzen zünden, so daß die Substanzen mit komplexen optoakustischen Spektren damit untersucht werden können.

Dort, wo eine Vielzahl der Laser vorzugsweise von den piezoelektrischen Sensoren versetzt angeordnet, d. h. so, daß kein Laser einem piezoelektrischen Sensor direkt gegenüberliegt. Dies bedeutet, daß kein Laser direkt in einen piezoelektrischen Sensor zündet.

Boi diesem Aspakt der vorliegenden Erfindung kann ein breiter Bereich von Medikamenten, erlaubten und unerlaubten, ebenso wie Metalle, Hormone und Steroide untersucht werden, welche ein deutliches spektroskopischös Kennzeichen besitzen. Die Einrichtung kann auch verwendet werden, um parasitische Infektionen in Körperflüssigkeiten und Gesamtkrankheitszustände und Bakterien zu untersuchen, wie das in Verbindung mit dem ersten, obenbeschriebenen, Aspekt erwähnt ist. Um das Vorhandensein von Substanzen zu untersuchen, welche undefinieit sein können, um einen spektroskopischen Nachweis zu führen, können die Einrichtungen nach der vorliegenden Erfindung einen Meßzyklus enthalten, welcher die Einführung eines oder mehrerer Nachweismittel in die Probe einschließt. Die chemischen Reaktionen, welche mit den Nachweismitteln stattfinden, diener, zur Verstärkung der Targetsubstanzen bis zu einem besonderen Grad, wobei die Arbeit im Einverständnis mit den spektroskopischen Techniken erfolgt; dies verstärkt die Veränderlichkeit der Nachweismittel durch das Ermöglichen von Messungen bei unteren Konzentrationen oder früheren Phasen der Reaktion.

Nach einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Einrichtung für die Vornahme von Proben aus einem kontinuierlichen Prozeß und ihrem Aussetzen der optoakustischen Spektroskopie geschaffen. Die Einrichtung umfaßt vorzugsweise ein Probenrohr, das mit der Hauptprozeßleitung verbunden ist; das Probenrohr enthält Mittel zum Beruhigen der Strömung der Probe durch das Rohr, um so das Rauschen in einer Probe zu reduzieren. Diese Mittel können Prallbleche sein, oder alternativ kann das Fluid zeitweilig in dem Probenrohr gestoppt werden, während die Untersuchung durchgeführt wird. l:s ist vorzugsweise eine Anordnung von Laserdioden und piezoelektrischen Wandlern um das Probenrohr zur Durchführung der optoakustischen Spektroskopie vorgesehen. Die Signalverarbeitungs- und Lasersteuerteile der Vorrichtung sind im allgemeinen jenen ähnlich, die in Verbindung mit den zweiten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben sind. Die Analysenschaltungsanordnung der Erfindung kann mit den Hauptsteuereinheiten des kontinuierlichen Prozesses so zusammengeschaltet sein, daß eine kontinuierliche Steuerschleife eingerichtet ist.

Die Erfindung kann daher „in Reihe geschaltet" mit einem Herstellungsprozeß funktionieren, woraufhin die Ergebnisse der Analyse mit elektronischen Anpassungseinheiten der Anlage verwendet werden können, welche die relevanten chemischen Konzentrationen regulieren. In dieser Weise verwendet, kann sie eine momentane Rückkopplung an ausgewählten Punkten des Herstollungsprozesses zur Verfügung stellen und kann daher eine vollautomatische Qualitätskontrolle sichern. Diese Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere für die Verwendung in der Ölindustrie, der Bierherstellung und vielen chemischen Prozessen geeignet.

Die Vergegenständlichung irgendeines oder aller obigen Aspekte gestattet es, daß die Einrichtung in geeigneter Weis? und einfach aufzubauen ist für die Untersuchung verschiedener Substanzen. Deutlich verschiedene Substanzen machen solche Laser erforderlich, die bei verschiedenen Frequenzen zünden, und diese Anpassungsfähigkeit kann durch die Schaffung von Lasern und piezoelektrischen Bauelementen in Steckmodulen erreicht werden, welche auch irgendeine Schaltungsanordnung enthalten können, die für die Substanz spezifisch ist, bei welcher der Modul für die Anwendung bestimmt ist. Außerdem kann irgendeine der Einrichtungen geeignet sein, beispielsweise durch Programmierung des Mikroprozessors, einen Meßwert oder eine Anzahl von Meßwerten bei aufgestellten Intervallen aufzunehmen.

Bei den obenbeschriebenen „Ιη-vitro''-Untersuchungseinrichtungen können faseroptische Bauelemente verwendet werden, um die Sensoren in die Umgebungen auszufahren, welche für den Bediener oder das Bauelement gefährlich sein könnten. Daher würden die Laserdiodenausgänge in die faseroptischen Kabel eingeleitet werden, dio an die Probe und an die verwendeten Lichtmikrofone geführt werden, um die akustische Reaktion aufzunehmen und sie über die Faseroptik an die Analyse- und Verarbeitungsschaltung zu führen.

Außerdem ist es dann dort, wo bei irgendeinem der obigen Aspekte eine Vielzahl von Lichtquellen verwendet wird, möglich, verschiedene Teile der Probe durch Anordnen und Steuern der Lichtquellen zu untersuchen, um eine im Phase gebrachte Anordnung zu bilden.

Nach einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Vorfahren zum Nachweisen der Konzentration einer Substanz in einer Probe durch optoakustische Spektroskopie geschaffen, das die Schritte der Lichtemittierung in die Probe und das Nachweisen der akustischen Reaktion der Probe umfaßt, einschließlich des Schrittes der Selektierung der Frequenz des in die Probe ausgesendeten Lichtes, das mindestens eine Frequenz aus der Vielzahl der diskreten Frequonzreihe in Übereinstimmung mit dem optoakustischen Absorptionsspektrum der zu untersuchenden Substanz ist. Es wird vorzugsweise das Licht aus der Vielzahl diskreter Frequenzen in die Probe gesendet, das vorzugsweise in Form von Impulsen, und im wesentlichen gleichzeitig und vorzugsweise innerhalb eines Abstandes von ungefähr zehn MikroSekunden ausgesendet wird.

Die Tatsache, daß die Impulse im wesentlichen gleichzeitig ausgesendet werden, läßt die Anzahl der Vorteile ansteigen. Erstens ist nicht ausreichend Zeit für die Diffusion der Probe zwischen den verschiedenartigen Zündungswegen vorhanden (dies ist dort wichtig, wo die Probe von dem Laserlicht beeinflußt wird). Zweitens werden die Auswirkungen der Probenverschlechterung mit der Zeit gemildert, da sämtliche Messungen innerhalb einer kurzen Zeit zueinander vorgenommen werden, und drittens wird die akustische Interferenz zwischen den verschiedenen Lasern auch verringert oder eliminiert.

Daher wird bei jedem der Aspekte der vorliegenden Erfindung das Vorhandensein und die Konzentration bestimmter Substanzen in einer Probe durch das Verfahren der optoakustischen Spektroskopie gemessen. Die Frequenz des verwendeten Lichtes liegt gewöhnlich im Infrarotbereich, beispielsweise von 700 bib 2 500 nrn. Die vorbestimmte Frequenz oder Frequenzen werden gemäß dem Absorptionsspektrum der zu messenden Substanz bestimmt. In den meisten Fällen, beispielsweise bei der Messung von Zucker im Blut, ist es notwendig, die akustische Reaktion bei mehreren Frequenzen zu messen, um sie von anderen Substanzen zu unterscheiden, und so sind entweder ein abstimmbarer Ls ier, der sich zur Einstellung einer Anzahr diskreter Frequenzen eignet oder eine Anzahl Licht emittierender Laser erf order lid ι. Das Untersuchen mit zwei oder mehr Frequenzen erlaubt es auch, Hintergrundrauschen zu eliminieren, und zwar durch ubtrahieren der Untersuchungsergebnisse voneinander. Es wird bevorzugt, daß mehrere Laser verwendet werden, so daß sie alle gesteuert werden können, um tatsächlich gleichzeitig (in einem Abstand von Mikrosekunden voneinander) einen Lichtimpuls auszusenden, so daß die Messung bei jeder der Frequenzen praktisch zur gleichen Zeit durchgeführt wird. Dies ist insbesondere in dem Fall solcher Proben vorteilhaft, wie beispielsweise Urin, welche sich mit der Zeit verschlechtern und durch das Laserlicht selbst verändert werden können. Folglich wird in der vorliegenden Erfindung nicht ein vollständiges Kontinuum der Frequenzen abgetastet. Statt dessen wird Licht nur bei der Frequenz oder jenen Frequenzen ausgesendet, die benötigt werden, um die zu untersuchende Substanz nachzuweisen und sie von anderen Substanzen zu unterscheiden. Die akustische Reaktion wird dann elektronisch verarbeitet, um einen Meßwert

der Konzentration der Substanz in der Probe anzugeben, d. h. ein interpretiertes Ergebnis, kein Spektrogramm. Diese Verfahrensweise bedeutet, daß die vorliegende Erfindung eine Einrichtung vorstellen kann, welche leicht anzuwenden ist und welche von Menschen mit relativ geringem Fachwissen angewendet werden kann und eigentlich kein früheres Wissen der optoakustischen Spektroskopie benötigt wird und daher die richtige Technik der optoakustischen Spektroskopie in viel breiterer und geeigneter Weise angewendet werden kann, als es vorher möglich war.

Außerdem weist die Anwendung einer Impulslichtquelle nicht nur die Vorteile der Vergrößerung des Signal-/ Rauschverhältnisses auf und erlaubt, wenn erforderlich, ein Tiefenprofil (d. h. eine Anzeige der Konzentration bei verschiedenen Tiefen in der Probe) einer gegebenen Substanz.

Ausführungsbeispiel

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend an Hand einos nichteinengenden Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Darin zeigen

Fig. 1: eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2: eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig.3: eine grafische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 4: eine grafische Draufsicht der Ausführungsform der Figur 3;

Fig. 5: eine grafische Ansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 6: eine schematische Darstellung der elektronischen Schaltungsanordnung einer Atisführungsform der vorliegenden

Erfindung, und Fig. 7: eine weitere schematische Darstellung der elektronischen Schaltungsanordnung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen Einrichtungen für die In-vivo-Messung von Substanzen im Blut. Bei beiden Ausführungsformen wird ein Abtastkopf, der sowohl den Laser für das emittierende Licht als auch den akustischen Sensor zum Nachweis der akustischen Reaktion enthält, so gegen die Haut gehalten, daß die spektroskopischen Abtastungen des Blutes unter der Hautoberfläche ausgeführt werden können. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform ist der Abtastkopf zusammen mit der Verarbeitungsund Anzeigeschaltungsanordnung an einem Armband 1 befestigt, und so kann die Einrichtung ständig getragen werden. Dies ist besonders nützlich für solche Menschen, beispielsweise Diabetiker, für die das öftere oder ständige Beobachten des Blutzuckerspiegels von Nutzen ist. Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführun^sform ist der Abtastkopf in einer Konsole angebracht, gegen welche der Patient einen Teil des Körpers, beispielsweise die Hand, hält.

Der Abtastkopf der Einrichtung und seine steuernde Schaltungsanordnung sind in den Figuren 6 und 7 schematisch gezeigt, und es ist daraus ersichtlich, daß der Abtastkopf 4 einen Halbleiterlaser 6 und piezoelektrische Wandler 7 enthält. Im Betrieb wird der Halbleiterlaser erregt, um einen Laserlichtimpuls auszusenden, wobei die Lichtenergie durch Moleküle im Blut absorbiert wird, das sich erwärmt, und dieses Erwärmen verursacht akustische Wellen, welche durch die piezoelektrischen Wandler 7 aufgenommen werden. Der Halbleiterlaser 6 wird von einer Lasertreibereinheit 8 und einer Steuereinrichtung 10 gesteuert, die mit dem Hauptsteuermikroprozessor 12 der Einheit verbunden ist. Das Signal von den piezoelektrischen Wandlern 7 wird über eine Schalteinheit 14 in einen der beiden Signalwege geleitet, von denen jeder einen breitbandgesteuerten Verstärker 16,18 enthält. Der Ausgang des Verstärkers 18 ist für die spektroskopische Analyse verfügbar gestaltet sowie für die Verarbeitung durch das Analysenmeßgerät 19 (welches ein Teil des Mikroprozessors 12 oder eine getrennte Schaltungsanordnung sein kann) und führt spektroskopische Daten über den Analog-Digital-Wandler 20 zu dem Mikroprozessor 12. Der andere Signalweg über den Verstärker 16 wird dazu benutzt, ein für den Herzschlag repräsentatives Signal des Patienten zur Verfügung zu stellen. Das Signal wird durch ein Tiefpaßfilter 22 gefiltert, um Geräusche zu unterdrücken, und über eine Spitzengleichrichterschaltung 24 und eine Abtast- und Halteschaltung 26 zu dem Analog-Digital-Wandler 20 und von dort zu dem Mikroprozessor 12 geleitet. Der Ausgang der Abtast- und Halteschaltung ist der Repräsentant der Impulsstärke des Patienten, und der Ausgang der Spitzengleichrichterschaltung 24, welcher auch direkt zu dem Mikroprozessor 12 geführt wird, ist der Repräsentant der Spitze des Herzschlags. Die Steuereinrichtung 10 wird verwendet, um die Verstärker 16 und 18 zu steuern, welche das Signal-/ Rauschverhältnis erhöhen. Das Herzschlagsignal kann dazu verwendet werden, die Erregung des Halbleiterlasers 6 zeitlich abzustimmen. Es ist deshalb möglich; für den Laser, der bei einem genauen Punkt in dem Herzschlag zu zünden ist und/oder genau zu wissen, an welchem Punkt während des Herzschlages die Messung zu erfolgen hat.

Der Ausgang von dem Tiefpaßfilter 22 wird auch zu einer Schwellwerteinstellschaltung geführt, die aus einem Komparator 28, einem Mikroprozessor 12 und einem Digital-Analog-Wandler 30 besteht. Dies erlaubt die Einstellung des Niveaus, bei dem das Herzschlagsignal zur Verfügung steht.

Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Laser ein frequenzabstimmbarer Laser, und eine Steuereinrichtung ist vorgesehen, so daß die Laserfrequenz eingestellt werden kann und bei einer Anzahl von Freauenzen Messungen durchgeführt werden können. Der Laser kann auch speziell gestaltete Linsen aufweisen, um spezielle Eindringwirkungen durch Gestaltung (!es Lichtstrahls zu erreichen, beispielsweise die Steuerung über die Eindringtiefe, die Intensität, die selektive Filterung der Wellenlängen, Diffusion bei beschädigten oder ungeschützten Flächen der Haut des Patienten, Konzentration bei der Gewobetiefe im Rahmen der Untersuchung und die Quantifizierung der Anregungszone für die Zwecke der Gewinnung von Kalibrieiungsdaten.

Bei den beiden Ausführungsformen der Erfindung, die in den Figuren 1 und 2 gezeigt dnd, ist der Abtastkopf 4 auch mit anderen Sensoren zum Du. chführen einer Vielzahl anderer Messungen am Körper versehen. Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, enthält der Abtastkopf eine Halbleiterlichtquelle 32, die von einem Treiber 44 betrieben wird, einen Fotodetektor 34 und einen schnell ansprechenden Tumperaturwandler 36.

Die Halbleiterlichtquelle und der Fotodetektor können dazu benutzt werden, die Blutmenge zu messen, die unterhalb der Hautoberfläche fließt, und zwar durch Messung des Reflexionsvermögens des Körpers. Die Frequenz der Halbleiterlichtquelle wird so gewählt, daß das Licht vom Blut absorbiert wird und daher das Signal auf dem Fotodetektor von der Blutmenge unter der Haut abhängig ist. Das Signal von dem Fotodetektor 34 wird auch der Schaltungseinheit 14 zugeführt, so daß es von der Signalverarbeitungsschaltung, die bereits oben beschrieben ist, verarbeitet werden kann. Dieses Signal kann dazu verwendet werden, das Blutvolumen unter der Haut oder den Herzschlag zu messen oder um einfach anzuzeigen, daß die Einrichtung korrekt am Körper des Patienten anliegt. Es kann daher dazu verwendet werden, die Speisung anderer Teile der . Schaltungsanordnung zu steuern, so daß sie nur dann erregt werden, wenn die Einrichtung mit der Haut in Berührung ist. Es schafft auch eine Angabe darüber, ob die Einrichtung korrekt verwendet wird und ob die optoakustische Messung als bedeutungsvoll gelten kann. Der schnell ansprechende Temperaturwandler 36 ist vorzugsweise ein Halbleitertyp und wird dazu benutzt, die Körpertemperatur des Patienten zu messen, Das Ausgangssignal des Wandlers 36 wird an einen Verstärker/ Konditionierapparat 38 geführt und dann zu dem Analog-Digital-Wandler 24 zur Eingabe in den Mikroprozessor 12 in Form einer Serie von 8 oder 10 Bit Datenworten.

Die Tatsache, daß das Blutvolumen unter der Haut gemessen werden kann, bedeutet, daß auch der Blutdruck des Patienten abgeleitet werden kann. Die Erfindung schafft daher auch einen Weg zur Untersuchung des Blutdrucks eines Patienten ohne irgendeinen Druck des Körpers des Patienten.

Der Mikroprozessor 12 ist mit den Bedienelementen 40 und einem Display 42 verbunden, beispielsweise einem LCD-Display, wie es in den Figuren 1 und 2 gezeigt wird.

Der Mikroprozessor 12 ist programmiert, um die Einrichtung zu steuern und die Ergebnisse in den Standardeinheiten zu kalibrieren. Die Ergebnisse werden in einen Speicher gespeichert (nicht getrennt gezeigt), der sowohl zur Speicherung von ungefähr 1000 Meßwerten als auch zur Anzeige auf dem Display geeignet ist, und der Mikroprozessor kann auf Durchschnittswerte für eine Anzahl von spektroskopischen Zyklen programmiert werden.

Die Verwendung eines Mikroprozessors gestattet der Einrichtung die Ausführung einiger Grade der Selbstkalibrierung. Es ist klar, daß die absoluten Messungen, die von dem Abtastkopf herrühren, durch eine Anzahl von Faktoren beeinflußt werden, beispielsweise der Hautdicke, die sich von Patient zu Patient ändert. Die Messung kann kalibriert sein, aber beim Betrachten mit Signalen von anderen Substanzen, welche bekannte Werte haben und welche in dem Speicher des Mikroprozessors gespeichert sind.

Die piezoelektrischen Wandler 7 in dem Abtastkopf können mehrere getrennte Wandler umfassen, wie dargestellt, oder wie es sein kann, beispielsweise ist ein ringförmiger Wandler um den Halbleiterlaser angeordnet. Es ist ein Merkmal der piezoelektrischen Wandler, daß sie angeordnet sein können, um eine geschlossene, direkte akustische Kopplung mit dem zu messenden Körper zu ergeben. Das trifft sowohl auf die In-vivo-Messung, die diskutiert wird, als auch auf die In-vitro-Messung zu, die unten diskutiert wird.

Die Einrichtung kann auch eine Schnittdarstellung (nicht dargestellt) enthalten, um die Daten zu einer Einrichtung zu übertragen, die die Handhabung einer Substanz am Patienten überwacht. Die Einrichtung kann beispielsweise dazu verwendet werden, den Blutzuckerspiegel eines Diabetikers zu überwachen, und diese Information wird zu einer Schaltungsanordnung übertragen, die eine Pumpe zur Verabreichung von Insulin an den Patienten steuert.

Die Einrichtung, die in bezug auf Figur 1 oben beschrieben ist, ist insbesondere zur Messung des Zuckerspiegels im Blut geeignet, und daher steht eine sehr geeignete Einrichtung zur Anwendung durch Diabetiker zur Verfügung, die sie zur öfteren Überwachung ihres Blutzuckerspiegels benötigen. Gegenwärtig wird der Blutzuckerspiegel durch Durchstecken der Haut und Verwendung eines Reagenzstreifens überwacht-das ist unsauber und insbesondere dann, wenn es sehr oft getan werden muß, schmerzhaft. Die vorliegende Einrichtung kann ständig getragen werden und die Anzeigen können jederzeit erfolgen. Außerdem können die Ergebnisse der Untersuchungen in der Einrichtung gespeichert wercien und es besteht kein Zweifel an Ergebnissen, die sich verändert haben, entweder absichtlich oder unabsichtlich durch den Patienten. Es ist auch möglich bei dieser Einrichtung, einen Meßwert anzugeben, der für das Vertrauen des spektroskopischen Ergebnisses repräsentativ ist, da er beobachtet werden kann, neben anderen Dingen, wie dem Batteriepegel, der Beschaffenheit der Laserdioden, ob die Einrichtung in einem geschlossenen Kontakt mit der Haut genau angeordnet wurde, die Temperatur des Patienten und der Punkt bei dem Herzschlag, bei welchem die Messung durchgeführt wurde. Es kann auch ein Meßwert gespeichert werden oder es sind mehr Profile der Standardmessungen zum Vergleich mit dem tatsächlichen Ergebnis vorhanden, so daß wieder eine Anzeige des Vertrauens des Ergebnisses erhalten werden kann.

Die Tatsache, daß der spektroskopische Meßwert auf den Herzschlag bezogen werden kann, bedeutet, daß das Signal-Rausch-Verhältnis des Meßwertes verbessert werden kann. Das Signal-Rausch-Verhältnis wird überdies durch die Verwendung eines Impulslasers verbessert, eine wesentlich bessere kontinuierliche Beleuchtung der Oberfläche; die Verwendung eines Impulslasers erlaubt ein Tiefenprofil einer Konzentration der Substanz, die gemessen wird und die aufzunehmen ist. Das Tiefenprofil kann leicht durch Zeitmessung des Abstandes zwischen dem Eintreffen der akustischen Welle und dem Ende des Lasorimpulses aufgebaut werden.

Die obige Beschreibung ist in bezug auf eine Einrichtung zur Messung des Blutzuckerspiegels angefertigt worden, die Einrichtung ist jedoch auch zum Messen anderer Substanzen im Blut geeignet. Wenn notwendig, kann der Abtastkopf mit einer Anzahl von Lasern versehen werden, wobei jeder mit einer unterschiedlichen Frequenz arbeitet, und einige oder alle Laser können so abgestimmt sein, daß simultane Messungen bei einer Anzahl von Frequenzen ausgeführt werden können. Diese kann notwendig sein, wenn das optoakustische Spektrum der Substanzu bei der Untersuchung komplex ist. In der Ausführung der Einrichtung mit einer Anzahl von Lasern ist es bei Lasern, die in einem steckbaren Modul untergebracht sind, möglich, daß sie, auch eine Schaltungsanordnung enthalten, die zu jenen Lasern spezifisch ist oder zur Verarbeitung des Signals aus der Substanz, so daß die Einrichtung bequem gestaltet sein kann, um eine aus einer Vielzahl verschiedener Substanzen zu messen. Die Einrichtung kann auf diese Weise programmiert werden, um verschiedene Antikörper im Blut, beispielsweise AIDS-Antikörper etc., zu untersuchen. Die Einrichtung schafft daher die Möglichkeit der Durchleuchtung einer großen Anzahl von Menschen oder Tieren in einer sehr kurzen Zeit, und daher könnte sie sehr wichtig bei der Schaffung verbesserter Gesundheitspflegeprogramme sein. Die vorliegende Erfindung ist auch bei der In-vitro-Untersuchung von Proben anwendbar, und die Figuren 3,4 und 5 zeigen Ausführungsformen der Erfindung, die dafür geeignet sind.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Ausführungsform ist eine Tischeinrichtung für die Untersuchung von Proben, die beispielsweise in einem Untersuchungsrohr 50 enthalten sind. Die Einrichtung umfaßt einen Träger 52 für das Untersuchungsrohr einschließlich eines Hohlraumes zur Aufnahme des Untersuchungsrohres und eine Anordnung von Radiatoren und Empfängern, die um die Innenoberfläche des Hohlraums angeordnet sind. Diese Radiatoren und Empfänger enthalten Laser 54 und piezoelektrische Wandler 56. Wie oben erwähnt, kann es bei der Untersuchung einiger Substanzen notwendig sein, die Reaktion der Probe auf Licht mit einer Anzahl von Frequenzen zu beobachten, und so sind eine Vielzahl von Lasern und piezoelektrischen Wandlern vorgesehen. Jeder der Laser wird auf eine der Frequenzen abgestimmt, weiche für die Untersuchung notwendig ist, und wahlweise können einige oder sämtliche Laser auch so abgestimmt sein, daß sie bei mehr als einer Frequenz untersuchen können. Aus den Figuren 3 und 4 ist ersichtlich, daß die piezoelektrischen Wandler versetzt sind, ei. h., sie sind nicht direkt einander gegenüber angeordnet, so daß das Licht von einem Laser nicht direkt geradlinig in irgendeinen der piezoelektrischen Wandler gerichtet ist.

Der Träger 52 ist auf einer Grundeinheit 58 befestigt, welche ein Display 60, benutzerbereite Steuereinrichtungen 64 und wahlweise einen Drucker 62 enthalten. Die Grundeinheit enthält die Stromversorgungsschaltung, die Signalverarbeitungsschaltung und den Mikroprozessor.

Die elektronische Schaltungsanordnung, die die Einrichtung steuert, ist im allgemeinen ähnlich derjenigen der Figuren 6 und 7, außer daß der Lasertreiber dazu geneigt ist, eine Vielzahl von Lasern zu betreiben, und die Signalverarbeitungsschaltung ist für jede der piezoelektrischen Einrichtungen vorgesehen.

Bei der Benutzung werden alle Halbleiterlaser mit der Frequenz, die für die Untersuchung notwendig ist, betrieben, um einen Laserlichtimpuls gleichzeitig oder innerhalb eines Abstandes von Mikrosekunden auszusenden. Dies bedeutet, daß sämtliche Messungen bei den mannigfaltigen verschiedenen Frequenzen gleichzeitig oder geschlossen miteinander vorgenommen werden, was wichtig ist, wenn sich die Probe mit der Zeit (Urin beispielsweise verschlechtert sich ziemlich schnell) verschlechtert, und das bedeutet auch, daß in den Proben, in denen sich Verunreinigungen durch die Einwirkung des Lasers auf die Probe gebildet haben, keine Zeit für die Verunreinigungen besteht, von der Zündstrecke des einen Lasers zu der eines anderen zu diffundieren. Wenn die Messung bei einer sich bewegenden oder fließenden P nbe erfolgt, beispielsweise einem Fluid, d. h. Blut, sichert die Schnelligkeit der Messung, daß alle Messungen auf derselben Probe erfolgreich sind.

Die La .er können speziell gestaltete Linsen aufweisen, um spezielle Eindringwirkungen durch Formung des Lichtstrahls analog zu jenen in der obenbeschriebenen In-vivo-Einrichtung zu erreichen.

Bei einer weiteren Ausführungsform dieser Einrichtung ist es möglich, Messungen mehrerer verschiedener Substanzen auf einer Probe vorzunehmen. Dies wird durch Schaffung von Lasern erreicht, die geeignet sind, Licht bei sämtlichen verschiedenen Frequenzen auszusenden, die erforderlich sind, um jede Probe bei den charakteristischen Frequenzen zu untersuchen, oder durch Schaffung einer ausreichenden Anzahl abstimmbarer Laser und Programmierung des Gerätes, so daß zuerst die Laser bei all den Lichtfrequenzen zünden, die für eine bestimmte Substanz und die gemessene akustische Reaktion erforderlich ^rind, dann alle die Lichtfrequenzen für die nächste Substanz und so weiter. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform sind vielmehr viele verschiedene Laser oder abstimmbare Laser vorgesehen, um eine Anzahl von Substanzen zu umfassen, wobei der Träger die Laser enthält, und die piezoelektrischen Wandler können die Form eines steckbaren Moduls aufweisen, das eine ausreichende Anzahl von Lasern enthält, um bei all den Frequenzen zu zünden, die für eine bestimmte Substanz oder eine Serie von Substanzen erforderlich sind. Das Modul kann auch irgendwelche Teile der Steuerungs- und Signalverarbeitunosschaltung enthalten, welche für die Untersuchung einer bestimmten Sustanz spezifisch sind. In der Ausführungsform der Figu ι3 und 4 enthält die Grundeinheit die Schaltungsanordnung, welche für die Untersuchung aller relevanten Substanzen üblich ist. Die Module können eine elektronische Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der Signale von den Sensoren enthalten und sie in einer üblichen, vorbestimmten Größe in der Grundeinheit zur Verfügung stellen, welche dann das Ergebnis anzeigt. Es wird daher ins Auge gefaßt, daß ein Arzt oder eine Krankenhausabteilung etc. mit einer Tischgrundeinheit und einer „Bibliothek" von Steckmodulen zur Untersuchung einer Vielzahl von Substanzen ausgestattet sein könnte und so in der lage wären, Proben von Patienten schnell und bequem zu untersuchen und mit einem sofort verständlichen Ergebnis aufzuwarten. Das in den Figuren 3 und 4 dargestellte Tischgerät kann ähnlich der In vivo-Einrichtung auch andere Sensoren enthalten. Es kann deshalb einen Temperaturwandler zur Messung der Temperatur der Probe und eine Fotodiode 66 mit einer Fotozelle ihr gegenüber aufweisen, um eine Messung des Lichtdurchlaßgrades zu ermöglichen, und eine weitere Fotozelle in dor Nähe der ersteren, um zu ermöglichen, daß das Lichtreflexionsvermögen gemessen wird. Die Verarbeitungsschaltung kann auch eine Schaltungsanordnung enthalten, um so den Zustand der Laserdiodon zu überwachen und dem Benutzer anzuzeigen, wenn irgendeine dieser Laserdioden fehlerhaft ist.

Die Einheit ist auch mit einer druckempfindlichen Einrichtung am Boden des Hohlraumes in dem Träger 52 ausgestattet, um die physische Anwesenheit eines Untersuchungsrohres abzutasten und einen Mechanismus zu betätigen, um die Laserdioden und piezoelektrischen Sensoren in einen festen Kontakt mit der Seitenfläche des Untersu^hungsrohrs zu bringen. Eine alternative Ausführungsform weist einen Tastkopf ohne bewegliche Teile auf, wobei die Sensoren in dem Gehäuse elastisch getragen werden und das Untersuchungsrohr in das Gehäuse von Hand eingepreßt wird.

Die Einrichtung kann auch dazu verwendet werden, nichtmedizinische Proben zu untersuchen, beispielsweise Wasser (für Verunreinigungssubstanzen etc.), flüssige Lebensmittelbestandteile, industrielle Fluide, Gase in Flüssigkeiten, landwirtschaftliche Erzeugnisse, Pflanzen und Lebewesen, für Pestizide, und sie kann sogar zur Untersuchung fester Produkte durch deren Mischen mit einem geeigneten Fluid verwendet werden, um eine Lösung oder Suspension zu schaffen. Die gezeigte Einrichtung enthält einen Drucker, der einen Ausdruck der Ergebnisse liefert, und die Einrichtung enthält auch einen Speicher zum Einspeichern der Ergebnisse.

Die Einrichtung stellt auf diese Weise eine geeignete Tischeinheit zur Verfügung, die dazu verwendet werden kann, um solche Fluide wie Blut, Urin, Tränenkanalfluid, Knochenmark, Gehirn-Rückgrat-Fluide, Gesichts- und Nasensekretion zu analysieren. Sie liefert ein sofortiges, genaues Ergebnis in Ausdrücken der Konzentration der Substanz in der Probe und orfordert keinerlei besondere Fachkenntnis des Benutzers. Außerdem bedeutet die Tatsache, daß es die Meßwerte bei allen Frequenzen erfordern, eine bestimmte Substanz nachzuweisen, und gleichzeitig oder innerhalb einer sehr kurzen Zeit voneinander vorgenommen werden, daß die Ergebnisse genau sind. Die Einrichtung ist auch insoweit flexibel, daß sie programmiert werden kann, um eine beliebige Anzahl von Substanzen oder Serien von Substanzen zu betrachten, vorausgesetzt, daß das besondere optoakustische Spektrum für diese Substanz bekannt ist. Die Art der Substanzen, die für eine beliebige Substanz untersucht werden kann, die für

die Pathologie oder Urologie relevant ist, und Auflistungen solcher Substanzen können in Merck Manual of Diagnosis and Therapie, 14. Edition, Seiten 2184 bis einschließlich 2201 (Anhang 1) gefunden werden. Weitere Substanzen, die die Einrichtung wirksam untersucht, sind Medikamente, legal oder illegal vorabreichte, Medikamente, die erlaubt oder verboten sind. Gase, Toxine, Schadstoffe, Metalle und andere Substanzen, die durch die optoakustische Spektroskopie untersucht werden können. Bei einer typischen Anwendung dieser Ausführungsform der Erfindung kann eine Einheit auf jeder Station eines Krankenhauses eingerichtet werden, so daß Urin (und andere Körperflüssigkeit) an Ort und Stelle untersucht werden kann. Die Ergebnisse können dann sofort i n die Patientenberichte Eingang fiiiden. Eine alternative Auflösungsform wird mit einer Schnittstelle geliefert, um es zu ermöglichen, daß die Daten in einen computerisierten Bericht übertragen werden, der beispielsweise von einem Krankenhaus zentral gehalten wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die insbesondere zur kontinuierlichen On-Iino-Boobachtung industrieller Prozesse anwendbar ist, ist in Figur 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist eine Anordnung von Lasern und piezoelektrischen Wandlern analog jenen, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt sind, um ein Probenrohr 70 angeordnet. Das Probenrohr 70 ist als ein Abzweig zu einer Haiiptprozeßleitung, die das zu untersuchende Material führt, geschaltet. Eine Probe von der Hauptprozeßleitung wird in das Probenrohr 70 abgeleitet, vorzugsweise in einer gesteuerten Art, so daß ein gleichmäßiger laminarer Fluß ohne akustisches Rauschen erreicht wird. Wenn das Rauschen in irgendeiner gegebenen Situation besonders vorherrschend ist, kann es notwendig sein, in dem Probenrohr Prallbleche vorzusehen oder das Fluid während der Untersuchung zeitweise zu stoppen. Die Verarbeitungs- und Steuerungsschaltung ist in dem Körper 78 der Einrichtung untergebracht und ist völlig analog zur Schaltungsanordnung 58 der Ausführungsform der Figuren 3 und 4. Sie kann auch eine Schnittstelle enthalten, um ihre Verbindung mit der den Hauptprozeß steuernden Vorrichtung zu ermöglichen, so daß eine kontinuierliche Steuerschleife geschaffen wird. Die Schnittstelle kann ferner die Dateneingabe von der Hauptstauerschaltung des Prozesses oder von anderen Abtastpunkten auf der Prozeßleitung ermöglichen.

Die Einrichtung kann dazu verwendet werden, eine beliebige Probe zu untersuchen, die eine Substanz enthält, deren optoakustisches Spektrum bekannt ist, und sie ist insbesondere für die Beobachtung der Reinhoit oder der Viskosität von Petroleumprodukten, der Konzentration der Flüssigkeiten in der Lebensmittelindustrie, beispielsweise Salz, Zucker, Verunreinigungssubstanzen, Wein, Milch, Alkohol, öle, Suspensionen oder Lösungen aus vielen anderen größeren Volumenflüssigkeitsprozessen nutzbar.

Es wird wieder ins Auge gefaßt, daß die Laser und ProbenVSubstanz-spezifische Schaltungsanordnung innerhalb eines Steckmoduls vorgesehen oder programmierbar sein könnte, so daß die Einrichtung leicht gestaltet werden kann, um verschiedene Substanzen zu beobachten.

Es ist sbzuschätzen, daß die Einrichtung insbesondere leicht auf einer existierenden Anlage durch einfaches Anbringen des Probenrohres an geeigneten Punkten der Hauptprozeßleitung zu installieren ist, und die Sensoren sind eingestellt, und die Schaltungsanordnung ist gemäß dem geforderten Verwendungszweck programmiert.

Es ist ins Auge gefaßt, daß dort, wo Halbleiterkomponenten für die Abtastfunktionen der Einrichtung verwendet werden, samtliche Komponenten auf einem einzigen Mikroskop ausgebildet sein könnten. Dies würde bedeuten, daß die Einrichtung kompakter aufgebaut sein könnte und robuster in der Anwendung wäre.

Zu erwähnen ist das Messen einer Probe bei einer Vielzahl von Wellenlängen. Um eine quantitative Messung zu erhalten, wird vorzugsweise das Messen einer gegebenen Substanz bei einer Spitze ihrer optoakustischen Reaktion und bei einer Normalspitzen-Wellenlänge betrachtet, um eine zwaite Messung vorzusehen, welche mit der Spitzenmessung kombiniert ist, um den quantitativen Wert anzuzeigen. Die Normalspitzen-Referenz ermöglicht aine Laserleistungsveränderlichkeit und andere optoakustische Ubertragungsvariable. Anstelle des Beispiels einer wäßrigen Lösung des Zuckers kann bei 1580 nm und 1300 nm gemessen werden, wobei der letztere Wert der Referenzwert ist. Die Laserimpulslängen des Benutzers bei den beiden Wellenlängen mit 0,5 Mikrosekunden mit einem Impulsintervall von 10 Mikrosekunden, wobei sich die akustischen Daten aus jedem Impuls ergeben, können erreicht und für die Verarbeitung gespeichert werden.

Claims (47)

1. Einrichtung zum Nachweisen und Messen der Konzentration von Substanzen in einer Probe durch optoakustische Spektroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß sie geeignet ist, die Messung in vivo auszuführei) infolge der Tatsache, daß sie eine Lichtquelle (6,54,74) zum Aussenden von Licht in den Körper bei der Untersuchung und einen akustischen Sensor (7,56,76) zum Nachweis der akustischen Reaktion des Körpers trägt, um die Konzentration der genannten Substanz durch optoakustische Spektroskopie zu messen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6,54,74) geeignet ist, Licht von mindestens einer Frequenz aus der Vielzahl einer diskreten Froquenzenreihe in Übereinstimmung mit dem optoakustischen Spektrum der Substanz bei der Untersuchung auszusenden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6,54,74) geeignet ist, Licht bei jeder Frequenz aus der genannten Vielzahl diskreter Frequenzen auszusenden, und daß Mittel zur Steuerung der Erregung der Lichtquelle vorgesehen sind, um das Licht in Impulsen auszusenden, die im wesentlichen gleichzeitig ausgesendet werden.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse in einem Abstand von zehn N' osekunden voneinander ausgesendet werden.

5. Einrichtung zum Nachweis der Konzentration einer Substanz in einer Probe durch optoakustische Spektroskopie einschließlich einer Lichtquelle zum Aussenden von Licht in die Probe und eines akustischen Sensors zum Empfangen der akustischen Reaktion von der Probe bei der Untersuchung, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6,54,74) geeignet ist, Licht einer Frequenz oder einer Vielzahl diskreter Frquenzen auszusenden, wobei die Frequenzen oder Frequenzen sich iti Übereinstimmung mit dem optoakustischen Spektrum der Substanz bei der Untersuchung befinden.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen Lichttreiber (8) zur Steuerung der Erregung der Lichtquelle (6,54, 74), um das Licht in Impulsen auszusenden.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichttreiber (8) geeignet ist, die Lichtquelle (6,54,74) zu steuern, um im wesentlichen gleichzeitig Lichtimpulse auszusenden.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse im Abstand von zehn Mikrosekunden gesendet werden.

9. Einrichtung nach den Ansprüchen 5, 6, ? oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6, 54,74) geeignet ist, Licht bei einer Vielzahl verschiedener diskreter Frequenzen auszusenden, woboi die Frequenzen in Bezug zu dem optoakustischen Spektrum der zu untersuchenden Substanz liegen.

10. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit einen Abtastkopf (4) mit einer Abtastoberfläche bildet, auf welcher die Lichtquelle (6) und der akustische Sensor (7) angeordnet sind, wodurch die Einrichtung im Betrieb mit der Abtastoberfläche in Berührung mit dem Menschen, dem Tier oder Pflanzenkörper angeordnet werden kann, um so eine In-vivo-Messung der zu untersuchenden Substanz auszuführen.

11. Einrichtung nach den Ansprüchen 1,2,3 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine solche Größe und Form aufweist, daß sie persönlich tragbar ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung Befestigungsmittel (3) zu ihrer Befestigung am menschlichen oder tierischen Körper enthält.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Befestigungsmittel (3) ein Armband umfassen.

14. Einrichfung nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 13 und für die Anwendung am menschlichen oder tierischen Körper geeignet, gekennzeichnet durch Mittel zum Beobachten des Körperherzschlages.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Mittel (7) den akustischen Sensor und Verarbeitungsmittel (16,22,24,26) zur Verarbeitung des Signals von dem akustischen Sensor umfaßt, um ein Signai relativ zum Körperherzschlag abzuleiten.

16. Einrichtung nach den Ansprüchen 14 oder 15, gekennzeichnet durch Zeiteinstellmittel (12) zur Zeiteinstellung der Erregung der Lichtquelle (6) in Bezug zu dem Herzschlag.

17. Einrichtung nach den Ansprüchon 14,15 oder 16. gekennzeichnet durch Meßmittel (12) zum Messen der Zeit in Bezug auf den Herzschlag, bei welchem die optoakustische Messung vorgenommen wird.

18. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit in einem Gehäuse (52) zur Aufnahme der zu untersuchenden Probe befestigt ist.

19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (52) einen Hohlraum beschreibt, in welchem die Probe angeordnet ist, wobei die Lichtquelle (54) und der akustische Sensor (56) auf der Innenoberfläche des Hohlraums befestigt sind.

20. Einrichtung nach den Ansprüchen 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (52) einen Probensensor zur Feststellung der Anwesenheit der Probe enthält, und Mittel, die auf den Probensensor für die Bewegung der Sensoreinheit in die Untersuchungsposition reagieren.

21. Einrichtung nach den Ansprüchen 18,19 oder 20. dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine in sich geschlossene, tragbare Einrichtung ist.

22. Einrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung ein Probenrohr (70) mit einem Einlaß und einem Auslaß enthält, durch welche eine Probe hindurchtreten kann, und daß die Sensoreinheit (72) in der Nähe des Abtastrohrs (70) so angeordnet ist, daß die Lichtquelle (74) Licht in das Probenrohr leitet.

23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit (72) so angeordnet ist, daß sie das Probenrohr (70) umgibt.

24. Einrichtung nach den Ansprüchen 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenrohr (70) Mittel zur Reduzierung des akustischen Rauschens in der Probe enthält.

25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel geeignet sind, die Strömung der Probe durch das Rohr (70) zu beruhigen.

26. Einrichtung nach den Ansprüchen 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel in dem Probenrohr (70) Prallbleche enthalten.

27. Einrichtung nach Anspruch 2.4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel Ventile zum Schließen des Einlasses und/oder Auslasses des Probenrohrs (70) umfassen.

28. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6, 54,74) ein Halbleiterlaser ist.

29. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Sensor (7,56,76) ein piezoelektrisches Bauelement ist.

30. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Sensor (7, S>6,76) ein Mikrofon ist.

31. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Sensor (7,56,76) auf der Sensoreinheit angeordnet ist und die Lichtquelle (6,54,74) umgibt.

32. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Sensor (7, 56,76) eine Vielzahl physisch getrennter Sensoren umfaßt, die auf der Sensoreinheit mit ihren miteinander verbundenen Ausgängen angeordnet sind.

33. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsquelle (66) und einen Beleuchtungsdetektor (68), die derart angeordnet sind, daß es möglich ist, den Lichtdurchlässigkeitsgrad der Probe zu messen.

34. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Anprüche, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsquelle (32) und einen Beleuchtungsdetektor (38), die derart auf der Sensoreinheit angeordnet sind, daß es möglich ist, den Lichtdurchlässigkeitsgrad der Probe zu messen.

35. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoreinheit ferner einen darauf befestigten Temperatursensor (36) enthalt.

36. Einrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (36) ein Halbleiterbauelement ist.

37. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Speichermittel (12) zum Speichern der Ergebnisse der optoakustischen Messung.

38. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anzeigemittel (42) zum Anzeigen des Ergebnisses der optoakustischen Messung.

39. Einrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6,54,74), die in einem entfernbaren Modul befestigt ist, im Betrieb mit der Einrichtung verbunden ist, und daß eine Vielzahl von Modulen vorgesehen sind, wobei an jedem eine Lichtquelle (6, 54,74) befestigt ist, die geeignet ist, Licht in mindestens einer aus einer Vielzahl diskreter Frequenzserien in Übereinstimmung mit dem optoakustischen Spektrum der zu untersuchenden Substanz auszusenden.

40. Einrichtung nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Module eine programmierte, elektronische Schaltungsanordnung enthalten, um das akustische Signal von der zu untersuchenden Substanz zu verarbeiten, um ein Ausgangssignal in einer vorbestimmten Größe und einer Schaltungsanordnung zur Übertragung an den Ausgang der Einrichtung zu erzeugen.

41. Verfahren zum Nachweisen und Messen der Konzentration von Substanzen in einer Probe durch optoakustische Spektroskopie, das die Schritte der Lichtaussendung in die Probe und den Nachweis der akustischen Reaktion der Probe umfaßt, gekennzeichnet durch den Schritt der Selektierung der Frequenz des ausgesendeten Lichtes in die Probe, die mindestens eine aus der Vielzahl diskreter Frequenzserien in Übereinstimmung mit dem optoakustischen Absorptionsspektrum der zu untersuchenden Substanz ist.

42. Verfahren nach Anspruch 41, gekennzeichnet durch das Aussenden eines Lichtimpulses in jeder aus einer Vielzahl der genannten diskreten Frequenzen in die Probe.

43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, ^J ^ß die genannten Impulse im wesentlichen gleichzeitig ausgesendet werden.

44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Impulse innerhalb von zehn Mikrosekunden voneinander ausgesendet werden.

45. Einrichtung zum Abtasten einer Substanz in dem menschlichen oder tierischen Körper, gekennzeichnet durch Mittel (6,7,54,56,74,76) zum Abtasten der Substanz durch optoakustische Spektroskopie und zur Beleuchtung des Körpers für die Untersuchung, die in zeitlich festgelegten Beziehungen zu dem Herzschlag des zu untersuchenden Körpers gesteuert wird.

46. Verfahren zum Nachweis einer Substanz in einem Körperfluid, gekannzeichnet durch den Schritt des Nachweises der Substanz in vivo durch optoakustische Spektroskopie.

47. Verfahren nach Anspruch 46, gekennzeichnet durch den Schritt der Steuerung der Beleuchtung des Körpers für die optoakustische Spektroskopie, der in zeitlich festgelegter Beziehung zu dem Herzschlag des zu untersuchenden Körpers erfolgt.

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