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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messgerät zur Konzentrationsbestimmung von Bestandteilen im Körpergewebe, insbesondere zur Bestimmung der Alkoholkonzentration im Körpergewebe, sowie ein entsprechendes Verfahren und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
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Stand der Technik
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Es existieren Geräte, die mit Hilfe der optischen Spektroskopie im nahinfraroten Spektralbereich die Gewebealkoholkonzentration im Körper bestimmen können. Dabei wird ein Körperteil, beispielsweise eine Hand oder ein Unterarm, auf die Messstelle des Gerätes gelegt und es erfolgt die Messung des Reflektionsspektrums des Gewebes in einem Spektralbereich von etwa 2100 nm bis 2400 nm. Aus diesem Spektrum wird die Alkoholkonzentration des Gewebes berechnet.
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Aktuell werden hierfür Messgeräte mit einer thermischen Lichtquelle und einem Interferometer in Freistrahlenordnung verwendet. Diese Messgeräte benötigen jedoch ein erschütterungsfreies und thermisch stabiles Umfeld sowie einen Raumbedarf, welcher in etwa der Größe eines Schuhkartons entspricht. Zudem ist die spektrale Leistungsdichte bei thermischen Lichtquellen begrenzt, wodurch die Messzeit nach unten limitiert wird, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR-Verhältnis; Englisch: „Signal to Noise Ratio”) zu erhalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Messgerät zur, insbesondere reflektionsspektroskopischen, Konzentrationsbestimmung von Bestandteilen im Körpergewebe, beispielsweise zur Bestimmung der Alkoholkonzentration im Körpergewebe, welches einen Diodenlaser mit mindestens einer Laserdiode und eine Wellenleiterstruktur umfasst. Wobei die Wellenleiterstruktur für jede Laserdiode einen externen Resonator mit einem wellenlängenselektiven Element aufweist. Wobei die Wellenleiterstruktur derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die von den Laserdioden des Diodenlasers erzeugte Strahlung jeweils in den zur jeweiligen Laserdiode zugehörigen Resonator einkoppelbar und nach dem Durchlaufen des Resonators wieder auskoppelbar ist.
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Die Verwendung von Diodenlasern anstelle von thermischen Lichtquellen ermöglicht vorteilhafter Weise die direkte Modulation der Strahlungsintensität und damit eine einfache Möglichkeit für eine Lock-in-Detektion zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses sowie eine höhere spektrale Leistungsdichte. Dadurch kann wiederum bei einem gleichbleibenden Signal-Rausch-Verhältnis die Messzeit verkürzt beziehungsweise bei einer gleichbleibenden Messzeit das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert werden. Durch die Führung der Strahlung in der Wellenleiterstruktur kann zudem vorteilhafter Weise der benötigte Bauraum deutlich gegenüber bekannten Freistrahl-Lösungen reduziert werden. Zudem wird das Messgerät durch die Wellenleiterstruktur deutlich robuster gegenüber Erschütterungen. Zudem kann das erfindungsgemäße Messgerät durch die Verwendung des Diodenlaser und der Wellenleiterstruktur kleiner und kompakter als bekannte Freistrahl-Lösungen ausgestaltet werden und besser gekapselt beziehungsweise eingehaust werden. Durch die gewählte Bauform kann das Messgerät zudem robuster gegenüber thermischem Drift sein, da zum Einen Laserdioden weniger Abwärme als thermische Lichtquellen erzeugen und zum anderen aufgrund der Kompaktheit und Verkapselung eine aktive Temperaturstabilisierung des gesamten Messgeräts zum Beispiel unter Verwendung eines Peltier-Kühlers möglich ist. In Summe kann das erfindungsgemäße Gerät kleiner, robuster und schneller als bisherige Geräte für die Messung von Gewebealkoholkonzentrationen und damit beispielsweise für den Einsatz im Auto geeignet sein.
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Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes umfasst das Messgerät weiterhin einen ersten und zweiten Lichtleiter, eine Messoptik und eine erste Photodiode. Dabei ist die Strahlung aus der Wellenleiterstruktur in den ersten Lichtleiter auskoppelbar, wobei die Strahlung durch den ersten Lichtleiter und die Messoptik auf das zu untersuchende Körpergewebe übertragbar ist. Dabei ist die von dem Körpergewebe reflektierte Strahlung durch die Messoptik und den zweiten Lichtleiter auf die erste Photodiode übertragbar und von der ersten Photodiode messbar ist. Dies hat den Vorteil, dass der Körpergewebemessort durch die Lichtleiter unabhängig von beziehungsweise variabel bezügliche des Orts der Strahlungserzeugung und -messung ist.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes sind der Diodenlaser und die Wellenleiterstruktur derart ausgebildet und angeordnet, dass die vom Diodenlaser erzeugte Strahlung direkt, das heißt ohne zwischengeschaltete zusätzliche Bauteile, in die Wellenleiterstruktur einkoppelbar ist. Aufgrund der Kopplung des Diodenlasers direkt an die Wellenleiterstruktur kann vorteilhafter Weise der benötigte Bauraum weiter, insbesondere bezüglich bekannten Freistrahl-Lösung, reduziert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes ist das wellenlängenselektive Element zum Durchstimmen der Strahlungswellenlänge, vorzugsweise über die gesamte Verstärkungsbandbreite, ausgebildet. Auf diese Weise kann die Messgenauigkeit erhöht und die Zahl der mit dem Messgerät bestimmbaren Bestandteile vergrößert werden.
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Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes umfasst oder ist das wellenlängenselektive Element ein mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement, insbesondere ein sogenanntes MEMS (Englisch: „Micro Electro Mechanical System”) und/oder MOEMS (Englisch: „Micro Opto Mechanical System”). Unter einem „mikro- oder nanostrukturierten Bauelement” kann im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Bauelement mit internen Strukturabmessungen im Bereich von ≥ 1 nm bis ≤ 200 μm verstanden werden. Unter „internen Strukturabmessungen” können hierbei insbesondere Abmessungen von Strukturen innerhalb des Bauelements, wie Streben, Stege oder Leiterbahnen, verstanden werden. Durch die Verwendung von mikro- oder nanostrukturierten Bauelementen zur Wellenlängenselektion kann vorteilhafter Weise der benötigte Bauraum weiter, insbesondere bezüglich bekannten Freistrahl-Lösung, reduziert werden. Zudem wird das Messgerät durch den Einsatz von wellenlängenselektiven Elementen auf der Basis von mikro- oder nanostrukturierten Bauelementen deutlich robuster gegenüber Erschütterungen und kann kleiner ausgestaltet werden als bekannte Freistrahl-Lösungen.
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Das wellenlängenselektive Element kann sowohl in dem Resonator als auch am Resonatorende positioniert sein.
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Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes umfasst das wellenlängenselektive Element ein Beugungsgitter oder ein Fabry-Pérot-Interferometer oder ein Etalon, insbesondere bei dem die Wellenlängenselektion beziehungsweise der Laufweg der optischen Strahlung durch mindestens ein kapazitiv, induktiv und/oder piezoelektrisch gesteuertes, mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement einstellbar ist. Beispielsweise kann das wellenselektive Element ein Beugungsgitter umfassen, dessen Ausrichtung durch mindestens ein kapazitiv, induktiv und/oder piezoelektrisch gesteuertes, mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement einstellbar ist. Oder das wellenselektive Element kann ein Fabry-Pérot-Interferometer umfassen, bei dem der Abstand der reflektiven Flächen durch mindestens ein kapazitiv, induktiv und/oder piezoelektrisch gesteuertes, mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement einstellbar ist. Oder das wellenselektive Element kann ein Etalon umfassen, bei dem die optische Weglänge zwischen den reflektiven Flächen beziehungsweise dessen Ausrichtung durch mindestens ein kapazitiv, induktiv und/oder piezoelektrisch gesteuertes, mikro- oder nanostrukturiertes Bauelement einstellbar ist. Ein Beugungsgitter als wellenlängenselektives Element kann insbesondere am Resonatorende, insbesondere in Littmann-Konfiguration, positioniert sein. Ein Fabry-Pérot-Interferometer oder ein Etalon als wellenlängenselektives Element kann insbesondere in dem Resonator positioniert sein.
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Vorzugsweise weist der externe Resonator eine Littmann- oder Littrow-Konfiguration auf. Durch eine Littrow-Konfiguration kann vorteilhafter Weise eine Laserdiode über 150 nm durchgestimmt werden.
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Insbesondere können die Laserdioden eine entspiegelte Endfacette aufweisen und derart vor der Wellenleiterstruktur positioniert sein, dass die erzeugte Strahlung direkt in die Wellenleiterstruktur einkoppelbar ist.
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Insbesondere können die Laserdioden Laserstrahlung in einem Bereich von ≥ 1800 nm und ≤ 2500 nm erzeugen. Dieser Wellenlängenbereich eignet sich insbesondere zur Bestimmung der Alkoholkonzentration im Körpergewebe.
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Beispielsweise können die Laserdioden Gallium-Antimon-basierte Laserdioden, beispielsweise eine (AlGaIn)/(AsSb)-basierte Laserdiode, zum Beispiel GaInAsSb/AlGaAsSb-Laserdioden, sein.
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Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes umfasst der Diodenlaser mindestens zwei, insbesondere drei, unterschiedliche Laserdioden. So kann vorteilhafter Weise gleichzeitig oder zeitlich versetzt Laserstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen erzeugt werden. Je nach gewünschter spektraler Bandbreite und benötigter spektraler Leistungsdichte kann die Strahlung von zwei oder mehr unterschiedlichen Laserdioden durch die Wellenleiterstruktur kombiniert werden. Beispielsweise kann durch eine Kombination der Strahlung der Laserdioden insgesamt ein Wellenlängenbereich von mindestens ≥ 2100 nm bis ≤ 2400 nm abgedeckt werden. Insbesondere kann die Strahlung dabei in der Wellenlänge im spektralen Bereich von mindestens ≥ 2100 nm bis ≤ 2400 nm durchstimmbar sein.
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Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes sind die Verstärkungsbandbreiten der einzelnen Laserdioden derart ausgewählt, dass durch eine Kombination aller Laserdioden ein Wellenlängenbereich von ≥ 2100 nm bis ≤ 2400 nm abgedeckt ist. Dieser Wellenlängenbereich ist zur Bestimmung der Alkoholkonzentration im Körpergewebe besonders vorteilhaft.
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Vorzugsweise ist die Wellenleiterstruktur eine Silizium-basierte Struktur. Derartige Strukturen sind vorteilhafter Weise relativ unempfindlich gegenüber Erschütterungen und Temperaturschwankungen.
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Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes ist die Wellenleiterstruktur derart ausgebildet ist, dass die Strahlung der Laserdioden erst jeweils getrennt voneinander in den zur jeweiligen Laserdiode zugehörigen Resonator einkoppelbar ist und die aus den Resonatoren ausgekoppelte Strahlung, insbesondere aller Laserdioden, bündelbar ist.
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Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgerätes die Wellenleiterstruktur derart ausgebildet ist, dass die Strahlung nach dem Resonator und gegebenenfalls nach dem Bündeln der Strahlung beziehungsweise der Strahlungsgänge der einzelnen Laserdioden teilbar ist, wobei ein Teil der Strahlung in den ersten Lichtleiter auskoppelbar und ein anderer Teil der Strahlung auf eine zweite Photodiode übertragbar und von der zweiten Photodiode messbar ist. Durch den Vergleich der gemessenen reflektierten Strahlung mit einer derartigen Referenzstrahlung, kann vorteilhafter Weise die Messgenauigkeit gegenüber Messgeräten, die ausschließlich gespeicherte Emissionsdaten der Laserdioden verwenden, erhöht werden.
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Vorzugsweise ist erste und/oder zweite Photodiode eine gekühlte Photodiode, insbesondere Peltierelement-gekühlte Photodiode. Insbesondere kann ist erste und/oder zweite Photodiode eine InGaAs-Photodiode sein.
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Der erste und zweite Lichtleiter kann Lichtleitfasern, beispielsweise Glasfasern und/oder polymere optische Fasern, umfassen oder daraus bestehen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur reflektionsspektroskopischen Konzentrationsbestimmung von Bestandteilen im Körpergewebe, insbesondere zur Bestimmung der Alkoholkonzentration im Körpergewebe, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen Messgerät. Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte:
- – Erzeugen von Strahlung durch mindestens eine Laserdiode, wobei die Strahlungswellenlänge schrittweise oder kontinuierlich, insbesondere in einem Bereich von ≥ 2100 nm bis ≤ 2400 nm, beispielsweise durch einen Resonator, durchgestimmt wird;
- – Einstrahlen der Strahlung in das zu untersuchende Körpergewebe;
- – Messen der Intensität der vom Körpergewebe reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von der Strahlungswellenlänge; und
- – Bestimmen der Konzentration mindestens eines Bestandteils des Körpergewebes aus den erhaltenen Daten.
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Die Strahlung kann dabei durch zwei oder mehr unterschiedliche Laserdioden gleichzeitig oder nacheinander erzeugt werden. Entsprechend können mehrere Strahlungswellenlängen gleichzeitig oder nacheinander, kontinuierlich oder schrittweise durchgestimmt werden.
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Hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile wird hiermit explizit auf die Erläuterungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Messgerät verwiesen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, welches ein erfindungsgemäßes Messgerät oder ein Messgerät, das ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführt, umfasst.
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Zeichnungen und Beispiele
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnung veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnung nur beschreibenden Charakter hat und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigt
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1 einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgerätes.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messgerätes zur reflektionsspektroskopischen Konzentrationsbestimmung von Bestandteilen im Körpergewebe. 1 zeigt, dass das Messgerät einen Diodenlaser 1 mit zwei unterschiedlichen Laserdioden 1a, 1b und eine Wellenleiterstruktur 2 umfasst. 1 illustriert, dass die Wellenleiterstruktur 2 für jede Laserdiode 1a, 1b einen externen Resonator 2a, 2b mit einem wellenlängenselektiven Element (nicht dargestellt) aufweist. Weiterhin zeigt 1, dass das Messgerät einen ersten 3 und zweiten 6 Lichtleiter, eine Messoptik 4 und eine erste Photodiode 7a umfasst. Dabei können der Diodenlaser 1, die Wellenleiterstruktur 2 und die Photodioden in ein Gehäuse integriert sein, welches über den ersten 3 und zweiten 6 Lichtleiter mit der Messoptik 4 verbunden ist.
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1 veranschaulicht, dass die in den Laserdioden 1a, 1b erzeugte Strahlung in die Wellenleiterstruktur 2 und den zur jeweiligen Laserdiode 1a, 1b zugehörigen Resonator 2a, 2b einkoppelbar und aus dem Resonator 2a, 2b und der Wellenleiterstruktur 2 wieder auskoppelbar ist. Insbesondere zeigt 1, dass die von den beiden Laserdioden 1a, 1b erzeugte Strahlung direkt jeweils getrennt voneinander in die Wellenleiterstruktur 2 eingekoppelt wird. In der Wellenleiterstruktur 2 wird die Strahlung weiterhin getrennt voneinander in den zu der jeweiligen Laserdiode 1a, 1b zugehörigen Resonator 2a, 2b eingekoppelt und weiterhin getrennt voneinander aus dem Resonator 2a, 2b wieder ausgekoppelt. 1 zeigt, dass die Wellenleiterstruktur 2 auch derart ausgebildet ist, dass die Strahlung beziehungsweise die Strahlungsgänge der beiden Laserdioden 1a, 1b nach dem Auskoppeln aus den einzelnen Resonatoren 2a, 2b gebündelt wird.
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1 veranschaulicht, dass die Wellenleiterstruktur 2 auch derart ausgebildet ist, dass die Strahlung nach den Resonatoren 2a, 2b und nach dem Bündeln mit der Strahlung beziehungsweise den Strahlungsgängen wieder derart geteilt wird, dass der Hauptteil der Strahlung in einen ersten Lichtleiter 3 auskoppelbar ist, über den die Strahlung auf das zu untersuchende Körpergewebe und schließlich auf die erste Photodiode übertragbar ist, wobei ein anderer Teil der Strahlung auf eine zweite Photodiode 7b übertragbar ist.
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1 zeigt, dass dabei durch den ersten Lichtleiter 3 in die Messoptik 4 eingekoppelt wird, über welche die Strahlung das zu untersuchende Körpergewebe beziehungsweise in die Messstelle im Gewebe 5 eingestrahlt wird und die aus dem Gewebe reflektierte Strahlung, in den zweiten Lichtleiter 6 eingekoppelt wird. Dies kann beispielsweise über ein Linsensystem 4a, 4b und/oder andere optische Elemente erfolgen. Über den zweiten Lichtleiter 6 kann diese Strahlung dann auf die erste Photodiode 7a übertragen werden. Auf diese Weise misst die erste Photodiode 7a die reflektierte Strahlung, wobei die zweite Photodiode 7b die ursprüngliche, nicht am Körpergewebe reflektierte Strahlung misst und zur Kalibrierung des Messergebnisses der ersten Photodiode 7a herangezogen werden kann. Während einer Messung kann unter Verwendung der verschiedenen Laserdioden 1a, 1b und ihrer externen Resonatoren, insbesondere der wellenlängenselektiven Elemente der Resonatoren, die Wellenlänge im Spektralbereich, beispielsweise von 2100 nm bis 2400 nm, schrittweise oder kontinuierlich durchgestimmt und die im Gewebe reflektierte Intensität in Abhängigkeit der Wellenlänge detektiert werden. So wird das Reflektionsspektrum des Gewebes bestimmt werden, aus dem dann die Alkoholkonzentration oder auch andere Bestandteile im Gewebe berechnet werden können.
