DE3882272T2

DE3882272T2 - Untersuchungsgerät zur Messung der Sauerstoffsättigung.

Info

Publication number: DE3882272T2
Application number: DE88304130T
Authority: DE
Inventors: Naotoshi Hakamata; Takeo Ozaki; Susumu Suzuki; Sumio Yagi
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1988-05-06
Publication date: 1993-10-21
Anticipated expiration: 2008-05-07
Also published as: DE3882272D1; JPS63275323A; US4901238A; EP0290272A1; EP0290272B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Sauerstoff-Konzentration in Objekten wie Organen, z.B. den Gehirngeweben eines menschlichen Körpers oder von Tieren; insbesondere betrifft sie die Vorrichtung zum Messen der Sauerstoff-Sättigung von Hämoglobin in Blut und der von Cytochromen in Zellen durch Erfassen ihrer Auswirkung auf elektromagnetische Strahlung.
Im allgemeinen ist bei der Diagnose der Funktion des Körperorgans, z.B. der Gehirngewebe, ein fundamentaler und wichtiger Parameter, ob die Sauerstoffmenge in dem Körperorgan ausreicht und entsprechend ausgenutzt wird. Eine ausreichende Versorgung von Körperorganen mit Sauerstoff ist für die Wachstumsfähigkeit von Föten und neugeborenen Kindern unerläßlich. Wenn die Sauerstoffversorgung unzureichend ist, sind die Sterberaten von Föten und neugeborenen Kindern hoch, und auch bei ihrem Überleben können ernsthafte Probleme in Körperorganen als Folge zurückbleiben. Die unzureichende Versorgung mit Sauerstoff beeinflußt jedes Körperorgan und verursacht bei Gehirngewebe besonders ernsthafte Schäden.
Um die Sauerstoffmenge in den Körperorganen einfach und im frühen Stadium einer Krankheit zu überprüfen, wurde eine Prüfvorrichtung entwickelt, die in US-A-4 281 645 beschrieben ist. Bei dieser Art von Untersuchungsvorrichtung wird die Veränderung der Sauerstoffmenge in Körperorganen, insbesondere im Gehirn, durch das Absorptionsspektrum von Licht im nahen Infrarot gemessen, wo die Absorption durch das Hämoglobin verursacht wird, das ein Sauerstoff beförderndes Medium im Blut ist, und durch das Cytochrom a, a&sub3;, welches Sauerstoffreduzierungs-Reaktionen in Zellen ausführt. Wie in Fig. 4(a) gezeigt, unterscheiden sich die Absorptionsspektren im Licht des nahen Infrarot (700 bis 1300 nm), αHbO&sub2; und αHb von mit Sauerstoff angereichertem Hämoglobin (HbO&sub2;) bzw. von Sauerstoff befreitem Hämoglobin (Hb) voneinander. Und wie in Fig. 4(b) gezeigt, unterscheiden sich auch die Absorptionsspektren von oxidiertem Cytochrom a, a&sub3; (CyO&sub2;), αCyO&sub2; bzw. αCy von reduziertem Cytochrom a, a&sub3; (Cy) voneinander. Diese Untersuchungsvorrichtung benutzt die gerade beschriebenen Absorptionsspektren von Licht im nahen Infrarot. Vier Lichtstrahlen im nahen Infrarot mit unterschiedlichen Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, λ&sub3; und λ&sub4; (z.B. 775 nm, 800, nm, 825 nm und 850 nm) werden an eine Seite des Kopfes des Patienten in einem Timesharing-Verfahren angelegt und die aus der gegenüberliegenden Seite des Kopfes austretenden Durchgangs-Lichtstrahlen werden der Reihe nach erfaßt. Durch Bearbeiten dieser vier erfaßten Resultate mit dem vorgeschriebenen Rechenprogramm werden vier unbekannte Quantitäten, d.h. die Dichteänderungen von oxidiertem Hämoglobin (HbO&sub2;), nicht oxidiertem Hämoglobin (Hb), oxidiertem Cytochrom a, a&sub3; (CyO&sub2;), und reduziertem Cytochrom a, a&sub3; (Cy) errechnet, und auf Grundlage dieser Parameter wird z.B. die Veränderung der zerebralen Sauerstoffmenge erhalten.
Fig. 5 zeigt eine Systemauslegung der vorbeschriebenen üblichen Untersuchungsvorrichtung 45. Die übliche Untersuchungsvorrichtung 45 enthält: Lichtquellen wie Laserdioden LD1 bis LD4, die vier Lichtstrahlen im nahen Infrarot mit unterschiedlichen Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, λ&sub3; und λ&sub4; emittieren; ein Lichtquellen-Steuergerät 55, das die Abgabezeiten der Lichtquellen LD1 bis LD4 steuert; optische Fasern 50-1 bis 50-4, welche durch die Lichtguellen LD1 bis LD4 emittierte Lichtstrahlen im nahen Infrarot zu einem Kopf 40 eines Patienten leiten; eine beleuchtungsseitige Befestigung 51, welche Endabschnitte der optischen Fasern 50-1 bis 50-4 bündelt und hält; eine erfassungsseitige Befestigung 52, die an die vorgeschriebene Position an der gegenüberliegenden Seite des Kopfes 40 des Patienten angepaßt ist; eine optische Faser 53, die durch die erfassungsseitige Befestigung 52 gehalten ist und durchgelassenes Licht im nahen Infrarot von dem Kopf 40 des Patienten weiterleitet; ein Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54, das die durchgelassene Lichtmenge im nahen Infrarot mißt durch Zählen von Photonen des Lichtes im nahen Infrarot, die durch die optische Faser 53 weitergeleitet wurden; und ein Computersystem 56, das die gesamte Untersuchungsvorrichtung steuert und die Veränderung der Sauerstoffmenge in Hirngeweben aufgrund der Durchlaßlichtmenge im nahen Infrarot bestimmt.
Das Computersystem 56 ist mit einem Prozessor 62, einem Speicher 63, Ausgabegeräten 64 wie einer Anzeige (Bildschirm) und einem Drucker und einem Eingabegerät 65 wie einer Tastatur versehen. Diese Geräte sind durch einen Systembus 66 miteinander verbunden. Das Lichtquellen-Steuergerät 55 und das Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 sind mit dem Systembus 6 als externe I/O -(Eingabe/Ausgabe-) Geräte verbunden.
Das Lichtquellen-Steuergerät 55 steuert die Lichtguellen LD1 bis LD4 durch jeweilige Ansteuersignale ACT1 bis ACT4 an, wie sie in Fig. 6(a) bis 6(d) gezeigt sind, entsprechend Instruktionen von dem Computersystem 56. Wie in Fig. 6 gezeigt, besteht ein Meßzeitabschnitt Mk (k = 1, 2, ...) aus N Zyklen CY1 bis CYn. Bei einer Phase Φn1 in einem beliebigen Zyklus CYn wird keine der Lichtquellen LD1 bis LD4 angesteuert, und deswegen wird der Kopf 40 des Patienten nicht durch das Licht im nahen Infrarot von den Lichtquellen LD1 bis LD4 beleuchtet. Bei der Phase Φn2 wird die Lichtquelle LD1 angesteuert und Licht im nahen Infrarot mit einer Wellenlänge von z.B. 775 nm von ihr emittiert. In der gleichen Weise wird bei der Phase Φn3 die Lichtquelle LD2 angesteuert und Licht im nahen Infrarot mit der Wellenlänge von z.B. 800 nm von ihr emittiert; bei der Phase Φn4 wird die Lichtquelle LD3 angesteuert und das Licht im nahen Infrarot mit der Wellenlänge von z.B. 825 nm von ihr emittiert und bei der Phase Φn5 wird die Lichtquelle LD4 angesteuert und Licht im nahen Infrarot mit einer Wellenlänge von z.B. 850 nm von ihr emittiert. Auf diese Weise steuert das Lichtquellen-Steuergerät 55 die Lichtquellen LD1 bis LD4 in einem Timesharing-Betrieb der Reihe nach an.
Das Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 ist ausgerüstet mit einem Filter 57, das die von der optischen Faser 53 ausgegebene Lichtmenge im nahen Infrarot einstellt; Linsen 70 und 71, eine Photovervielfacherröhre 58, welche das Licht vom Filter 57 in Stromimpulse wandelt und sie ausgibt; einem Verstärker 59, der die Stromimpulse von der Photovervielfacherröhre 58 verstärkt; einem Amplituden-Diskriminator 60, der Stromimpulse von dem Verstärker 59 beseitigt, deren Amplitude kleiner als ein vorgeschriebener Schwellwert ist; einem Mehrkanal-Photonenzähler 61, der die Photonenfrequenz in jedem Kanal erfaßt; beispielsweise einer Erfassungssteuerung 67, welche Erfassungszeiträume des Mehrkanal-Photonenzählers 61 steuert; einer Temperatursteuerung 68, welche die Temperatur eines die Photovervielfacherröhre 58 enthaltenen Kühlers 69 steuert.
Bei der Verwendung der vorstehend beschriebenen Untersuchungsvorrichtung werden die beleuchtungsseitige Befestigung und die erfassungsseitige Befestigung fest an vorgeschriebenen Positionen des Kopfes 40 des Patienten angebracht durch Benutzen eines Bandes oder dergleichen. Danach werden die Lichtquellen LD1 bis LD4 durch das Lichtquellen-Steuergerät 55 angesteuert, wie jeweils in Fig. 6(a) bis 6(d) angezeigt, so daß die vier Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen im nahen Infrarot von den Lichtquellen LD1 bis LD4 der Reihe nach im Timesharing-Verfahren emittiert werden, und die Lichtstrahlen werden durch die optischen Fasern 50-1 bis 50-4 zu dem Kopf 40 des Patienten geleitet. Da Knochen und weiche Gewebe in dem Kopf 40 des Patienten für Licht im nahen Infrarot durchlässig sind, wird das Licht im nahen Infrarot in der Hauptsache durch Hämoglobin im Blut und Cytochrom a, a&sub3; in Zellen zum Teil absorbiert, zum Teil an die optische Faser 53 weitergegeben. Die optische Faser 53 leitet dann das Licht zu dem Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 weiter. In der Phase Φn1 wird keine der Lichtquellen LD1 bis LD4 angesteuert, so daß das Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 kein Durchlaßlicht erhält, das ursprünglich von den Lichtquellen LD1 bis LD4 emittiert wurde. D.h. in dieser Phase erfaßt das Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 Dunkellicht (Hintergrundlicht).
Die Photovervielfacherröhre 58 in dem Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 ist ein Gerät zum Zählen von Photonen, das mit hoher Empfindlichkeit und hoher Ansprechgeschwindigkeit arbeitet. Die Stromausgangsimpulse von der Photovervielfacherröhre 58 werden durch den Verstärker 59 zum Amplituden-Diskriminator 60 geschickt. Der Amplituden-Diskriminator 60 eliminiert die Rauschkomponente, deren Amplitude kleiner als die vorgeschriebene Amplitudenschwelle ist, und sendet nur die Signalimpulse zu dem Mehrkanal-Photonenzähler 61. Der Mehrkanal-Photonenzähler 61 erfaßt die Photonenzahl nur in den Zeiträumen T&sub0;, die mit den Ansteuersignalen ACT1 bis ACT4 für die jeweiligen Lichtquellen LD1 bis LD4 gemäß Fig. 6(a) bis 6(d) durch ein Steuersignal CTL nach Fig. 6(e) von der Erfassungssteuerung 67 synchronisiert sind, und zählt die erfaßte Photonenzahl jedes von der optischen Faser 53 stammenden Lichtstrahls mit den jeweiligen Wellenlängen. Durch den vorbeschriebenen Vorgang werden die Durchlaßdaten jedes Lichtstrahls im nahen Infrarot mit den verschiedenen Wellenlängen erhalten.
Das heißt, wie es in Fig. 6(a) bis (e) gezeigt ist, daß in der Phase Φn1 im Zyklus CYn des Lichtquellen-Steuergeräts 55 keine der Lichtquellen LD1 bis LD4 angesteuert wird, und deshalb werden die Dunkellichtdaten d durch das Durchlaßlicht- Erfassungsgerät 54 gezählt. In den Phasen Φn2 bis Φn5 werden die Lichtquellen LD1 bis LD4 der Reihe nach im Timesharing-Verfahren angesteuert und das Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 zählt der Reihe nach die Durchlaßdaten tλ&sub1;, tλ&sub2;, tλ&sub3; und tλ&sub4; der jeweiligen Lichtstrahlen im nahen Infrarot mit unterschiedlichen Wellenlängen λ&sub1;, λ&sub2;, λ&sub3; und λ&sub4;.
Das Zählen der Dunkellichtdaten d und der Durchlaßdaten tλ&sub1;, tλ&sub2;, tλ&sub3; und tλ&sub4;, das sequentiell im Zyklus CYn durchgeführt wird, wird N mal von CY1 bis CYn fortgesetzt. Das bedeutet, eine Meßzeit Mk (k = l, 2 ...) enthält N Zyklen. Ein konkretes Beispiel geht wie folgt: wenn ein Zyklus 200 us beträgt und N gleich 10 000 ist, beträgt die Meßzeit Mk 2 s. Zum Zeitpunkt der Beendigung einer Meßzeit Mk werden die Zählergebnisse der Dunkellichtdaten D
und die Zählergebnisse der Durchlaßdaten Tλ&sub1;, Tλ&sub2;, Tλ&sub3; und Tλ&sub4; ( =
zu dem Computersystem 56 übertragen und in dem Speicher 63 gespeichert.
Der Prozessor 62 führt die Subtrahierung der Dunkellichtkomponente aus durch Benutzen der in dem Speicher 63 nach einer Meßzeit gespeicherten Kombination aus Durchlaßdaten und Dunkellichtdaten (Tλ&sub1;, Tλ&sub2;, Tλ&sub3;, Tλ&sub4;, D)Mk und derselben Komb&sub1;nation (Tλ&sub1;, Tλ&sub2;, Tλ&sub3;, Tλ&sub4;, D)Mo am Beginn der Messung und errechnet die Änderungsraten des Durchlaßlichts ΔTλ&sub1;, ATλ&sub2;, ΔTλ&sub3; und ATλ&sub4;. Das bedeutet, die Änderungsraten des Durchlaßlichts ΔTλ&sub1;, ΔTλ&sub2;, ΔTλ&sub3; und ΔTλ&sub4; werden berechnet als:
ΔTλj=log[(Tλj-D)Mk/(Tλj-D)Mo] (j = 1 bis 4)... (1)
Die Verwendung von Logarithmen bei dieser Berechnung von ΔTλj geschieht, um die Änderung als optische Dichte auszudrücken.
Unter Benutzung der vorstehend berechneten Änderungsraten des Durchlaßlichts ΔTλ&sub1;, ΔTλ&sub2;, ΔTλ&sub3; und ΔTλ&sub4; können Dichteänderungen von mit Sauerstoff angereichertem Hämoglobin (HbO&sub2;), von Sauerstoff befreitem Hämoglobin (Hb), mit Sauerstoff angereichertem Cytochrom a, a&sub3; (CyO&sub2;) und reduziertem Cytochrom a, a&sub3; bestimmt werden, die ausgedrückt werden als ΔXHbO&sub2;, ΔXHb, ΔXCyO&sub2; bzw. ΔXCy. Das bedeutet, jede Dichteänderung von ΔXHbO&sub2;, ΔxHb, ΔXCyO&sub2; und ΔXCOy wird berechnet als:
wobei αij ein Absorptionskoeffizient jeder Komponente i (HbO&sub2;, Hb, CyO&sub2;, Cy) für jede Wellenlänge λj (λ&sub1;, λ&sub2;, λ&sub3; λ&sub4;) ist wie sie sich aus Fig. 4(a) und (b) ergibt, und e die Länge des Kopfes 40 des Patienten in der Laufrichtung des Lichts im nahen Infrarot ist.
Da die vorstehend erfaßten Dichteänderungs-Komponenten ΔXHbO&sub2;, ΔXHb, ΔXCyO&sub2; und ΔXCy die Änderung der Sauerstoffmenge im Gehirn wiedergeben, kann die Veränderung der Sauerstoffmenge im Gehirn durch Ausgeben dieser erfaßten Resultate mit dem Ausgabegerät 64 bekanntgemacht werden, und die Diagnose kann aufgrund dieser Resultate gestellt werden.
Um die Untersuchung sicher durchzuführen, ist es außerdem notwendig, daß die beleuchtungsseitige Befestigung 51 und die erfassungsseitige Befestigung 53 fest an der vorgeschriebenen Position des Kopfes 40 angesetzt ist. Wenn der Anpaßzustand der beleuchtungsseitigen Befestigung 51 oder der erfassungsseitigen Befestigung 52 geändert wird, wird auch die Beleuchtungsmenge für den Kopf 40 oder die Durchlaßmenge von dem Kopf geändert, auch wenn die Ausgabemengen der Lichtstrahlen im nahen Infrarot, die von den jeweiligen Lichtquellen LD1 bis LD4 emittiert werden, konstant gehalten werden. Deswegen kann dann die Veränderung der Sauerstoffsättigung nicht korrekt gemessen werden.
Um das angesprochene Problem zu vermeiden, besitzt die übliche Untersuchungsvorrichtung eine Funktion zum Überwachen, ob die Anpaßposition der erfassungsseitigen Befestigung geändert wurde, indem das Dunkellicht durch das Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 in der Phase Φn1 des Zyklus CYn erfaßt wird.
Zwar kann diese übliche Untersuchungsvorrichtung eine Änderung der Anpaßlage der erfassungsseitigen Befestigung 52 erfassen, sie kann jedoch nicht eine Änderung der Anpaßlage der beleuchtungsseitigen Befestigung 51 erfassen. Aus diesem Grunde kann die übliche Vorrichtung eine Veränderung der durch das Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 erfaßten Durchlaßmenge, die durch die Veränderung der Beleuchtungslichtmenge für den Kopf 40 verursacht wurde, nicht erfassen, die aus der Änderung der Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung 51 herrührt, so daß sich daraus ein Versagen bei der korrekten Messung der Sauerstoffsättigung im Gehirn ergibt. Darüberhinaus kann die übliche Vorrichtung die gefährliche Situation nicht erfassen, daß Lichtstrahlen im nahen Infrarot von den Lichtquellen LD1 bis LD4 ein Auge beleuchten, wenn die Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung 51 geändert wird.
Entsprechend dieser Erfindung umfaßt eine Untersuchungsvorrichtung zum Messen der Sauerstoffsättigung in einem Objekt mit Elektromagnetwellen-Durchlaß-Spektrophotometrie:
Lichtquellenmittel zum aufeinanderfolgenden Emittieren elektromagnetischer Strahlung von unterschiedlicher Wellenlänge;
eine beleuchtungsseitige Befestigung zum Anlegen der durch die Lichtquellenmittel erzeugten elektromagnetischen Strahlung an ein Objekt;
eine erfassungsseitige Befestigung zum Aufnehmen der durch das Objekt übertragenen elektromagnetischen Strahlung;
ein Durchlaßlicht-Erfassungsgerät zum Erfassen von durch die erfassungsseitige Befestigung aufgenommener elektromagnetischer Strahlung; und
ein Computersystem zum Steuern der Lichtquellenmittel und des Durchlaßlicht-Erfassungsgeräts und zum Analysieren der Ausgabe des Durchlaßlicht-Erfassungsgerätes zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung des Objekts;
und ist dadurch gekennzeichnet, daß die beleuchtungsseitige Befestigung ausgelegt ist, von dem Objekt reflektierte elektromagnetische Wellen aufzunehmen; und daß die Prüfungsvorrichtung auch enthält:
Reflexionslicht-Erfassungsmittel zum Erfassen der reflektierten elektromagnetischen Strahlung, die von der beleuchtungsseitigen Befestigung zugeführt wird, und zum Ausgeben von Reflexionslichtdaten; und
Ausgangslicht-Erfassungsmittel zum Erfassen von durch das Lichtquellenmittel emittierter elektromagnetischer Strahlung und Ausgeben von Ausgangslichtdaten; und daß
das Computersystem die Reflexionslichtdaten von dem Reflexionslicht-Erfassungsmittel und die Ausgangslichtdaten von dem Ausgangslicht-Erfassungsmittel aufnimmt und aufgrund der Reflexionslichtdaten und der Ausgangslichtdaten bestimmt, ob eine Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung sich ändert.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß sie eine Untersuchungsvorrichtung schafft, welche Änderungen der Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung überwacht und korrekt die Sauerstoffsättigung mißt, und daß gleichzeitig die Sicherheit in Betracht gezogen wird.
Beispielsweise errechnet das Anpaßposition-Erfassungsmittel die Veränderung der Dunkellichtmenge gegenüber der Menge beim Beginn der Messung, in der Dunkellicht durch das Erfassungsmittel für reflektiertes Licht erfaßt wird, wenn keine elektromagnetische Welle von dem Lichtquellenmittel emittiert wird. Das Anpaßposition-Erfassungsmittel entscheidet, ob die Veränderung des Dunkellichts eine vorgeschriebene Toleranzgrenze überschreitet oder nicht. Wenn entschieden wird, daß die Toleranzgrenze überschritten ist, wird angenommen, daß die Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung sich geändert hat und es wird beispielsweise der Betrieb der Untersuchungsvorrichtung angehalten und ein Alarm ausgelöst.
Besondere Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. ein Blockschaltbild einer Untersuchungsvorrichtung ist, die eine Ausführung der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 2 ein Datendiagramm in einem Speicher eines Computersystems in der Untersuchungsvorrichtung ist;
Fig. 3 ein Schnittbild ist, das ein Beispiel einer abgewandelten beleuchtungsseitigen Befestigung darstellt;
Fig. 4(a) und (b) Graphiken von Absorptionsspektren von Hämoglobin bzw. Cytochrom sind;
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer üblichen Prüfungsvorrichtung ist; und
Fig. 6(a) bis (e) Zeitablaufdarstellungen von Ansteuersignalen ACT1 bis ACT4 bzw. eines Steuersignals CTL sind.
Fig. 1 zeigt ein System, das aus einer Prüfungsvorrichtung besteht, die eine Ausführung der vorliegenden Erfindung ist. In Fig. 1 sind die gleichen Bezugszeichen für die Blöcke, Teile oder Signale verwendet worden, wie bei den entsprechenden in Fig. 5, und die Erklärung für diese Teile wird in der nachfolgenden Beschreibung weggelassen.
Nicht nur die optischen Fasern 50-1 bis 50-4, welche von den jeweiligen Lichtquellen LD1 bis LD4 emittierte Lichtstrahlen im nahen Infrarot zuführen, sondern auch eine optische Faser 3, die einen Reflexionslichtmonitor 4 mit reflektiertem Licht vom Kopf 40 versorgt, werden durch eine beleuchtungsseitige Befestigung 2 einer Untersuchungsvorrichtung 1 nach Fig. 1 gehalten. Die von den Lichtquellen LD1 bis LD4 emittierten Lichtstrahlen im nahen Infrarot werden zu einem Ausgangslicht-Monitor 13 jeweils durch optische Fasern 12-1 bis 12-4 zugeleitet.
Z.B. bestehen der Reflexionslicht-Monitor 4 und der Ausgangslicht-Monitor 13 aus Photodioden. Diese Monitore wandeln das reflektierte Licht und das Ausgangslicht in elektrische Analogsignale und geben diese als ein Reflexionssignal RF bzw. ein Ausgangssignal OT aus. Das Reflexionssignal RF vom Reflexionslicht-Monitor 4 und das Ausgangssignal OT vom Ausgangslicht-Monitor 13 werden einem Datenauswähler 5 zugesendet. Das Reflexionssignal RF oder das Ausgangssignal OT wird in dem Datenauswähler entsprechend einem von einem Computersystem 6 zugesendeten Auswahlsignal SEL ausgewählt, analog/digital gewandelt und einem Mehrkanal-Datenakkumulator 14 zugesendet.
In der gleichen Weise wie das vorhergehend beschriebene Computersystem 56 umfaßt das Computersystem 6 einen Prozessor 7, einen Speicher 8, ein Ausgabegerät 9, ein Eingabegerät 10 und einen Systembus 11, der diese Geräte miteinander verbindet. Weiter besitzt das Computersystem 6 die Funktion, die Änderung der Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung 2 zu überwachen.
Während die Untersuchungsvorrichtung 1 mit diesem Aufbau die Änderung der Anpaßposition der erfassungsseitigen Befestigung 52 durch das Durchlaßlicht-Erfassungsgerät 54 und das Computersystem 6 überwachen kann, wobei es sich um die gleiche Funktion wie bei der üblichen Untersuchungsvorrichtung handelt, kann sie auch die Änderung der Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung 2 durch den Reflexionslicht- Monitor 4, den Ausgangslicht-Monitor l3, den Datenwähler 5, den Mehrkanal-Datenakkumulator 14 und das Computerystem 6 überwachen.
Wenn der Befehl zum Untersuchungsbeginn von dem Eingabemittel 10, z.B. einem Tastenfeld, gegeben wird, steuert das Lichtquellen-Steuergerät 55 die Lichtquellen LD1 bis LD4 über die in den Fig. 6(a) bis (d) gezeigten Ansteuersignale ACT1 bis ACT4 an. In der Phase Φn1 im Zyklus CYn wird kein Licht im nahen Infrarot von den Lichtquellen LD1 bis LD4 emittiert, und der Reflexionslicht-Monitor 4 erfaßt das Dunkellicht vom Kopf 40 durch die optische Faser 3. Das erfaßte Dunkellicht wird wiederum durch den Reflexionslicht-Monitor 4 in ein elektrisches Analogsignal gewandelt, durch den Datenwähler 5 ausgewählt und in ein Digitalsignal von 12 Bit gewandelt und dem Mehrkanal-Datenakkumulator 14 zugesendet. Der Mehrkanal-Datenakkumulator 14 sammelt das erhaltene 12 Bit-Digitalsignal (Dunkellicht-Signal) während einer Meßzeit Mk an und sendet ein Sammelresultat DK1 zum Computersystem 6. Das Computersystem 6 speichert das erhaltene Dunkellichtdaten-Sammelresultat TK1 der Dunkellicht-Daten im Speicher 8 in der in Fig. 2 gezeigten Weise ein.
In der nächsten Phase Φn2 im Zyklus CYn wird die Lichtquelle LD1 angesteuert und von der Lichtquelle LD1 Licht im nahen Infrarot emittiert. Der Reflexionslicht-Monitor 4 erfaßt das Reflexionslicht vom Kopf 40 durch die optische Faser 3 und der Ausgangslicht-Monitor 13 erfaßt das Ausgangslicht von der Lichtquelle LD1. Mit dem gleichen Ablauf wie bei der Dunkellichterfassung werden das Reflexionslicht von der optischen Faser 3 und das Ausgangslicht von der Lichtquelle LD1 durch den Reflexionslicht-Monitor 4 bzw. den Ausgangslicht- Monitor 13 in elektrische Analogsignale gewandelt und diese werden durch den Datenwähler 5 dem Mehrkanal-Datenakkumulator 14 zugesendet. Der Mehrkanal-Datenakkumulator 14 sammelt jedes der beiden Digitalsignale während einer Meßzeit Mk. Deshalb werden in der Phase Φn2 die Reflexionslichtdaten Rλ&sub1; und die Ausgangslichtdaten Iλ&sub1; dem Computersystem 6 zugesendet, wenn die Messung während einer Meßzeit Nk beendet ist. Das Computersystem 6 speichert diese Daten durch den Systembus 11 in den Speicher 8 in der in Fig. 2 dargestellten Weise ein.
In den nächsten Phasen Φn3, Φn4 und Φn5 im Zyklus CYn werden die Lichtquellen LD2, LD3 bzw. LD4 der Reihe nach angesteuert und die jeweiligen Reflexionslichtdaten Rλ&sub2;, Rλ&sub3; und Rλ&sub4; und die Ausgangslichtdaten Iλ2, Iλ3 und Iλ4 werden mit dem gleichen Vorgang wie in der Phase Φn2 erhalten. Diese Daten werden in der in Fig. 2 gezeigten Weise im Speicher 8 des Computersystems 6 gespeichert. Zwar werden in der vorangehenden Beschreibung die Reflexionslichtdaten für alle Wellenlängen λ&sub1; bis λ&sub4; erfaßt, jedoch ist es nicht immer notwendig, die Reflexionslichtdaten für alle Wellenlängen zu erfassen, d.h. die Reflexionslichtdaten können für lediglich eine Wellenlänge erfaßt werden. Es sollte bemerkt werden, daß zur gleichen Zeit, wie die vorhergehenden Erfassungen der Reflexionslichtdaten Rλ1 und Rλ4 und der Ausgangslichtdaten Iλ1 und Iλ4 vonstatten gingen, die Dunkellichtdaten D und die Durchlaßlichtdaten Tλ1 bis λ4 durch das Durchgangslicht-Erfassungsgerät 54 erfaßt und in der gleichen Weise wie bei der üblichen Untersuchungsvorrichtung 45 in den Speicher eingespeichert werden.
Aufgrund der Dunkellichtdaten DK1 werden aus den Reflexionslichtdaten Rλ1 bis Rλ4 und den Ausgangslichtdaten Iλ1 bis Iλ4, die während einer Meßzeit Mk erfaßt worden waren, die Reflektivitäten δ&sub1;, δ&sub2;, δ&sub3; und δ&sub4; errechnet als:
6j = RÄi/I i (i = 1 bis 4) (3)
Statt der voranstehenden Gleichung kann auch die folgende Definition genommen werden:
δi = (Rλi - DK1)/Iλi (i = 1 bis 4), (4)
wo Rλi in Gleichung (3) durch (Rλi - DK1) ersetzt ist.
Unter Benutzung der aus der Gleichung (3) oder (4) errechneten Reflektivitäten δ&sub1;, δ&sub2;, δ&sub3; und δ&sub4; und den entsprechenden zu Beginn der Messung Mo erhaltenen Reflektivitäten bestimmt der Prozessor 7 Veränderungen der Reflektivitäten Δδ&sub1;, Δδ&sub2;, Δδ&sub3; und Δδ&sub4;. Wenn die Änderung einer der Reflektivitäten δ&sub1;, δ&sub2;, δ&sub3; oder δ&sub4; oder die Veränderung der Dunkellichtdaten Δ&epsi; größer als der jeweils vorgeschriebene Schwellwerte ist, wird angenommen, daß die Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung an dem Kopf 40 sich geändert hat, und der Beleuchtungswinkel zur äußeren Hautschicht des Kopfes 40 und der Reflexionswert derselben sich über die jeweiligen vorgeschriebenen Bereiche hinaus verändert haben. Das Computersystem 6 läßt das Ausgabegerät 9 eine Nachricht anzeigen, welche die Normabweichung mitteilt, oder einen Alarmton erzeugen. Darüberhinaus läßt das Computersystem 6 den Betrieb der Lichtquellen LD1 bis LD4 unterbrechen und so keine Lichtstrahlen im nahen Infraroten mehr emittieren, so daß dadurch die Sicherheit der zu untersuchenden Person aufrechterhalten wird.
Die somit beschriebene Ausführung der Untersuchungsvorrichtung erfaßt nicht nur die Änderung der Anpaßposition der erfassungsseitigen Befestigung 52, wie es auch die übliche Vorrichtung kann, sondern erfaßt auch die Änderung der Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung als die Veränderung der Reflektivität oder des Dunkellichts. Deswegen kann die vorher beschriebene Ausführung der Untersuchungsvorrichtung die Sauerstoffsättigung von Körperorganen zuverlässiger messen und die Sicherheit der zu untersuchenden Person auch dann aufrechterhalten, wenn die Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung sich ändert.
Obwohl bei der vorstehend beschriebenen Ausführung Lichtstrahlen im nahen Infrarot mit vier unterschiedlichen Wellenlängen λ&sub1; bis λ&sub4; benutzt werden, ist die Anzahl der Wellenlängen nicht auf vier begrenzt, d.h. die Anzahl kann zwei betragen, oder andere Lichtquellen, welche Lichtstrahlen im nahen Infrarot mit anderen Wellenlängen als λ&sub1; bis λ&sub4; emittieren, können hinzugefügt werden. Darüberhinaus können die Lichtstrahlen im nahen Infrarot mit unterschiedlichen Wellenlängen erhalten werden durch Benutzen einer Weißlichtquelle und Ausfiltern des von ihr emittierten weißen Lichts. Die von der Lichtquelle emittierten elektromagnetischen Wellen sind nicht auf Licht im nahen Infrarot beschränkt, d.h. auch Licht im fernen Infrarot, sichtbares Licht, Mikrowellen usw. können Verwendung finden.
Bei der beleuchtungsseitigen Befestigung 2 nach Fig. 1 sind die optischen Fsern 50-1 bis 50-4, welche die emittierten Lichtstrahlen einleiten, und ein Ende der ref lektierte Lichtstrahlen einleitenden optischen Faser 3 direkt dem Kopf 40 gegenüber angebracht. Es kann statt der Befestigung 2 auch eine beleuchtungsseitige Befestigung 2' mit einem anderen Aufbau nach Fig. 3 benutzt werden. Die beleuchtungsseitige Befestigung 2' besitzt ein Prisma 20. Eine Oberfläche 20b des Prismas 20 ist an den Kopf 40 angelegt, und die emittierten Lichtstrahlen werden durch die optischen Fasern 50-1' bis 50-4' so eingeführt, daß sie auf die andere Oberfläche 20a des Prismas auffallen. Das vom Kopf 40 reflektierte Licht wird durch ein Ende der optischen Faser 3' an der Oberfläche 20a aufgenommen. Die Größe der beleuchtungsseitigen Befestigung 2' kann im Vergleich zu der der Befestigung 2 geringer gehalten werden. Bei der Befestigung 2' können die optischen Fasern 50-1' bis 50-4' und 3' längs des Kopfes 40 installiert werden. Deswegen ändert sich die Anpaßposition der Befestigung 2' auch dann nicht sehr viel, wenn der Kopf 40 sich etwas bewegt, so daß sich eine zuverlässigere, sicherere Messung ergibt. Darüberhinaus kann die erfassungsseitige Befestigung ebenfalls den Aufbau nach Fig. 3 besitzen.
Die Anwendung der Untersuchungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist nicht auf das medizinische Gebiet beschränkt, sondern überdeckt mehrere Gebiete einschließlich bloße Messungen. Und die Meßobjekte sind nicht auf Körperorgane begrenzt, sondern können allgemeiner sein, wie z.B. ein Stück Fleisch.

Claims

l. Untersuchungs-Vorrichtung (1) zum Messen der Sauerstoffsättigung in einem Objekt (40) mit Elektromagnetwellen-Durchgangs-Spektrophotometrie, welche umfaßt:

Lichtquellenmittel (LD1-LD4) zum aufeinanderfolgenden Emittieren elektromagnetischer Strahlung von unterschiedlicher Wellenlänge;

eine beleuchtungsseitige Befestigung (51) zum Anlegen der durch die Lichtquellenmittel (LD1-LD4) erzeugten elektromagnetischen Strahlung an ein Objekt (40);

eine erfassungsseitige Befestigung (52) zum Aufnehmen der durch das Objekt (40) übertragenen elektromagnetischen Strahlung;

ein Durchlaßlicht-Erfassungsgerät (54) zum Erfassen von durch die erfassungsseitige Befestigung (52) aufgenommener elektromagnetischer Strahlung; und

ein Computersystem (6) zum Steuern der Lichtquellenmittel (LD1-LD4) und des Durchlaßlicht-Erfassungsgeräts (58) und zum Analysieren der Ausgabe des Durchlaßlicht-Erfassungsgerätes (58) zum Bestimmen der Sauerstoffsättigung des Objekts (40);

dadurch gekennzeichnet, daß die beleuchtungsseitige Befestigung (51) ausgelegt ist, von dem Objekt (40) reflektierte elektromagnetische Wellen aufzunehmen; und daß die Prüfungsvorrichtung weiter enthält:

Reflexionslicht-Erfassungsmittel (4) zum Erfassen der reflektierten elektromagnetischen Strahlung, die von der beleuchtungsseitigen Befestigung (51) zugeführt wird, und zum Ausgeben von Reflexionslichtdaten; und

Ausgangslicht-Erfassungsmittel (13) zum Erfassen von durch das Lichtquellenmittel (LD1-LD4) emittierter elektromagnetischer Strahlung und Ausgeben von Ausgangslichtdaten; und daß

das Computersystem (6) die Reflexionslichtdaten von dem Reflexionslicht-Erfassungsmittel (4) und die Ausgangslichtdaten von dem Ausgangslicht-Erfassungsmittel (13) aufnimmt und aufgrund der Reflexionslichtdaten und der Ausgangslichtdaten bestimmt, ob eine Anpaßposition der beleuchtungsseitigen Befestigung (52) sich ändert.
2. Untersuchungs-Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Elektromagnetstrahlung Lichtstrahlung im nahen Infrarot ist.
3. Untersuchungs-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der

das Reflexionslicht-Erfassungsmittel (4) weiter von dem Objekt (40) reflektiertes Dunkellicht erfaßt, wenn keine elektromagnetische Strahlung von den Lichtquellenmitteln (LD1-LD4) emittiert wird, und Dunkellichtdaten ausgibt; und

das Computersystem die Dunkellichtdaten von dem Reflexionslicht-Erfassungsmittel (4) erhält, Veränderungen der Dunkellichtdaten gegenüber denen zu Beginn der Messung überwacht und aufgrund der Veränderungen der Dunkellichtdaten bestimmt, ob die Anpaßposition der Befestigung (51) sich ändert.
4. Untersuchungs-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der

das Computermittel erste Reflexionswerte errechnet, die als die Verhältniswerte der Reflexionslichtdaten zu den jeweiligen Ausgabelichtdaten definiert sind, Veränderungen der ersten Reflexionswerte gegenüber denen bei Beginn der Messung überwacht und aufgrund der Veränderungen der errechneten ersten Reflexionswerte bestimmt, ob die Anpaßposition sich ändert.
5. Untersuchungs-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Reflexionslicht-Erfassungsmittel (4) weiter von dem Objekt (40) reflektiertes Licht erfaßt, wenn keine elektromagnetische Strahlung von den Lichtquellenmitteln (LD1-LD4) emittiert wird; und Dunkellichtdaten ausgibt; und

das Computersystem (6) Differenzen zwischen den Reflexionslichtdaten und den Dunkellichtdaten und zweite Reflexionswerte errechnet, die als die Verhältniswerte der errechneten Differenzen zu den jeweiligen Ausgangslichtdaten definiert sind, Änderungen der zweiten Reflexionswerte gegenüber denen zu Beginn der Messung überwacht und aufgrund der Veränderungen der zweiten Reflexionswerte bestimmt, ob die Anpaßposition sich ändert.
6. Untersuchungs-Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Reflexionslicht-Erfassungsmittel und das Ausgangslicht-Erfassungsmittel umfassen:

einen Reflexionslicht-Monitor (4), der die reflektierte elektromagnetische Strahlung erfaßt und diese in ein für das Reflexionslicht repräsentatives elektrisches Analogsignal wandelt;

einen Ausgangslicht-Monitor (l3), der die emittierte elektromagnetische Strahlung erfaßt und diese in ein für das Ausgangslicht repräsentatives elektrisches Analogsignal wandelt;

einen gemeinsamen Daten-Auswähler (5), der die für das reflektierte Licht und für das Ausgangslicht repräsentativen elektrischen Analogsignale empfängt, unter den elektrischen Analogsignalen entsprechend einem von dem Computersystem (6) gesendeten elektrischen Signal auswählt und das ausgewählte elektrische Analogsignal in ein Digitalsignal wandelt; und

einen gemeinsamen Mehrkanal-Akkumulator (14), der die Digitalsignale empfängt, die empfangenen Signale während einer vorgeschriebenen Meßzeit bei jeder Wellenlänge akkumuliert und akkumulierte Digitalsignale als Reflexionslichtdaten oder Ausgangslichtdaten ausgibt.