DE69635790T2

DE69635790T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung eines streuenden Mediums

Info

Publication number: DE69635790T2
Application number: DE69635790T
Authority: DE
Inventors: Mitsuharu Hamamatsu-shi Miwa; Yutakałc/o Hamamatsu Photonics K.K. Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1995-08-29
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: US5772588A; EP0760477A3; EP0760477B1; EP0760477A2; DE69635790D1; JPH0961359A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vermessen eines Streumediums und ein Verfahren dafür. Im Speziellen betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Vermessen einer Konzentration einer lichtabsorbierenden Substanz in einem Streumedium und ein Verfahren dafür.
In Bezug stehende Hintergrundtechnik
Die zeitaufgelöste Spektroskopie wurde als Technik zum quantitativen Vermessen einer Konzentration einer absorbierenden Substanz in einem Streumedium vorgeschlagen (zum Beispiel im U.S.-Patent Nr. 5,119,815). Durch diese Technik wird, wenn ein Lichtimpuls auf das Streumedium wie etwa einen lebenden Körper fällt, auf Grund der Streuung ein zeitlich verbreitertes Profil des Lichtimpulses innerhalb ein lebenden Gewebes beobachtet, wodurch ein Profil erhalten wird, das eine Änderung der Lichtintensität mit einer Änderung der Zeit anzeigt. Eine Konzentration der Absorption innerhalb des lebenden Gewebes kann erhalten werden, indem ein Logarithmus der Lichtintensität des so erhaltenen Profils gebildet wird und eine Neigung der Lichtintensität in Bezug auf die Zeit gewonnen wird.
Die oben genannte Technik setzt üblicherweise das zeitaufgelöste Einzelfotoelektron-Messverfahren ein. In dem zeitaufgelösten Einzelfotoelektron-Messverfahren ist eine Lichtmenge, die für jeden Lichtimpulseinfall erfasst wird, auf nur ein Photon begrenzt. Im Fall eines Lichtimpulses, der auf das lebende Gewebe als ein Streumedium trifft und sich durch das Innere des lebenden Gewebes bewegt, so dass bewirkt wird, dass eine große Lichtmenge einen Detektor erreicht, hat das Messverfahren dahingehend einen Nachteil, dass viel Zeit zur Datenerfassung notwendig ist, weil das Licht auf ein Photon oder weniger reduziert werden muss. Zusätzlich ist die Vorrichtung, die bei dem zeitaufgelösten Einzelfotoelektron-Messverfahren verwendet wird, kostspielig, und folglich sind dessen Anwendungsbereiche in gewissem Umfang begrenzt.
B. Chance und K. Kaufmann schlugen eine Vorrichtung mit einem Boxcar-Integrator als Mittel zur Lösung der obigen Probleme vor (U.S.-Patent Nr. 5,386,827). Die US 5386827 stellt den nächstgelegenen Stand der Technik zur vorliegenden Erfindung dar. Diese Technik ist so ausgebildet, dass zeitlich sehr kurz gepulstes Licht in das Streumedium wie ein lebender Körper eintritt, um Licht einer vorbestimmten Wellenlänge, das auf einer Oberfläche nach einer diffusiven Ausbreitung innerhalb des Streumediums durch einen Detektor erfasst wird, um ein Signal, das vom Detektor ausgegeben wird, zum Boxcar-Integrator zu führen, und einen Absorptionskoeffizienten aus den Signalen zu zwei oder mehreren vorbestimmten Zeiten zu berechnen, der einer Dämpfungsneigung des Signals, welches vom Detektor kommend durch den Boxcar-Integrator ausgegeben wird, entspricht.
Indem Absorptionskoeffizienten zwei unterschiedliche Wellenlängen betreffend durch die oben genannte Technik erhalten werden, wird eine Konzentration eines spezifischen absorbierenden Bestandteils, wie z.B. Hämoglobin oder dergleichen, im Streumedium wie einem lebenden Körper basierend auf den Informationen dieser zwei Absorptionskoeffizienten quantitativ bestimmt. Da diese Technik frei von der Beschränkung auf einzelne Photonen als Lichtmenge ist, ermöglicht sie Kurzzeitmessungen wenn eine den Detektor erreichende Lichtmenge genügend groß ist. Sie ermöglicht auch einer Verringerung der Vorrichtungskosten.
Jedoch ist mit der oben genannte Technik, die den Boxcar-Integrator verwendet, das Problem verbunden, dass der Absorptionskoeffizient nicht genau gemessen werden kann, weil eine zeitliche Reaktionscharakteristik des Detektors einer wahren Wellenform überlagert wird, so dass die Wellenform abgestumpft wird. 1 ist eine erlätuternde Zeichnung der Wellenformstumpfheit und zeigt schematisch das pulsierte Licht, das durch einen vermessenen Gegenstand gegangen ist, die zeitliche Reaktionscharakteristik des Detektors und eine beobachtete Ausgangswellenform vom Detektor. Es ist bekannt, dass auf Grund der Wellenformstumpfheit, z. B. wenn ein lebender Körper mit sehr kurzzeitig gepulstem Licht bestrahlt wird, die Halbwertsbreite des übertragenen Lichts ungefähr 5 ns ist. Im Fall einer Photomultiplier-Röhre als Beispiel für den Detektors zum Vermessen des übertragenen Lichts, ist die zeitliche Reaktionscharakteristik der Photomultiplier-Röhre wegen der Dispersion in der Migrationszeit der Elektronen in der Photomultiplier-Röhre ungefähr 3 bis 5 ns, und ein beobachtetes Ausgangssignal wird durch die zeitliche Reaktionscharakteristik der Photomultiplier-Röhre stark beeinflusst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist unter den oben genannten Umständen erfolgt. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, eine Vorrichtung zum Vermessen von Inneninforma tionen im Streumedium, wie etwa eine Konzentration einer absorbierenden Substanz, mit hoher Genauigkeit und auf einer nicht-eingreifenden Basis zur Verfügung zu stellen. Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, eine Verfahren zum Vermessen von Inneninformationen im Streumedium, wie etwa einer Konzentration einer absorbierenden Substanz, mit hoher Genauigkeit und auf einer nicht-eingreifenden Basis zur Verfügung zu stellen.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird zum Vermessen eines Streumediums verwendet, welches eine lichtabsorbierende Substanz enthält, und die Vorrichtung umfasst die Merkmale gemäß Anspruch 1.
Die vorbestimmte Wellenlänge des Lichts, das durch die Lichtquelle gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestrahlt wird, ist vorzugsweise nicht kleiner als 600 nm und nicht größer als 1500 nm. Weiterhin ist das Licht, welches auf das Streumedium trefffen soll, vorzugsweise gepulstes Licht.
Der Photodetektor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise eine Gateschaltung, die mit der Gatespannung-Anlegeschaltung verbunden ist. Der Photodetektor kann die Intensität des Lichts an einer Vielzahl von Erfassungspositionen auf der Oberfläche des Streumediums erfassen.
Die Vorrichtung der vorliegenden weiteren Erfindung umfasst vorzugsweise eine Zeitsteuerung zum Steuern der Erfassungszeiten, wenn die Gatespannungsimpulse durch die Gatespannung-Anlegeschaltung erzeugt werden, und der Erfassungszeiten, wenn das Licht durch die Lichtquelle ausgestrahlt wird.
Die vorliegende Vorrichtung kann weiterhin einen Integrator zum Integrieren der jeweiligen Signalintensität während der Zeiten der Anlegung der Gatespannungsimpulse umfassen.
Bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, kann die Signalverarbeitungseinrichtung so ausgestaltet sein, um basierend auf den Signalintensitäten während der Zeiten der Anlegung der Gatespannungsimpulse eine zeitliche Neigung der Intensität des Lichts zu erhalten, welches diffusiv durch das Streumedium propagiert ist, und um dann basierend auf der zeitlichen Neigung einen Absorptionskoeffizienten im Streumedium und eine Konzentration der absorbierenden Substanz als die Inneninformationen zu berechnen.
In einem Fall, in dem das Streumedium eine Vielzahl von zu vermessenden lichtabsorbierenden Substanzen enthält, ist es bevorzugt, dass das Licht gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von vorbestimmten Wellenlängen umfasst, und dass die Signalverarbeitungseinrichtung ausgestaltet ist, um Absorptionskoeffizienten bezüglich der Wellenlängen zu berechnen, und um Konzentrationen der lichtabsorbierenden Substanzen basierend auf den Absorptionskoeffizienten zu berechnen.
Wenn das Streumedium sauerstoffangereichertes Hämoglobin und sauerstoffabgereichertes Hämoglobin als die lichtabsorbierende Substanz enthält, kann die Signalverarbeitungseinrichtung ausgebildet sein, um eine Konzentration des sauerstoffangereicherten Hämoglobins, eine Konzentration des sauerstoffabgereicherten Hämoglobins und eine Sauerstoffsättigung des Hämoglobins als die Inneninformationen zu berechnen.
Das Verfahren zum Vermessen eines Streumediums der vorliegenden Erfindung umfasst die Schritte gemäß Anspruch 11.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise weiterhin den Schritt des Steuerns der Erfassungszeiten, wenn die Gatespannungsimpulse erzeugt werden, und der Einfallzeiten, wenn das Licht ausgestrahlt wird.
Die vorliegende Verfahren kann weiterhin den Schritt des Integrierens der jeweiligen genannten Signalintensität während der Zeiten der Anlegung der genannten Gatespannungsimpulse umfassen.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann weiterhin die Schritte umfassen: Erfassen einer zeitlichen Neigung der Intensität des Lichts, das diffusiv durch das Streumedium propagiert ist, basierend auf den Signalintensitäten während der Zeiten der Anlegung der Gatespannungsimpulse, und Berechnung eines Absorptionskoeffizienten im Streumedium und einer Konzentration der absorbierenden Substanz als die Inneninformationen basierend auf der zeitlichen Neigung.
In einem Fall, in dem das Streumedium eine Vielzahl von zu vermessenden lichtabsorbierenden Substanzen enthält, ist es bevorzugt, dass das Licht gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von vorbestimmten Wellenlängen umfasst, und dass das vorliegende Verfahren weiterhin die Schritte umfasst: Berechnen von Absorptionskoeffizienten bezüglich der Wellenlängen und Berechnen von Konzentrationen der lichtabsorbierenden Substanzen basierend auf den Absorptionskoeffizienten.
Wenn das Streumedium sauerstoffangereichertes Hämoglobin und sauerstoffabgereichertes Hämoglobin als die lichtabsorbierende Substanz enthält, kann die vorliegende Verfahren weiterhin den Schritt der Berechnung einer Konzentration des sauerstoffangereicherten Hämoglobins, eine Konzentration des sauerstoffabgereicherten Hämoglobins und einer Sauerstoffsättigung des Hämoglobins als die Inneninformationen umfassen. Bei der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden die Gatespannungsimpulse an den Photodetektor angelegt, um eine Intensität des Lichts, das durch das Streumedium gegangen ist, zu verschiedenen Zeiten synchron mit dem übertragenen Licht zu erfassen. Gemäß der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können folglich Inneninformationen über das Streumedium, wie ein Absorptionskoeffizient bezüglich des Lichts und eine Konzentration einer lichtabsorbierenden Substanz, mit guter Genauigkeit und ohne Einfluss der zeitlichen Antwortcharakteristik des Photodetektors gemessen werden.
Gemäß der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, wird es möglich, mit guter Genauigkeit Absorptionskoeffizienten in Bezug auf das Licht, das zwei oder mehr unterschiedlichere Wellenlängen hat, zu erhalten und so quantitativ mit guter Genauigkeit aus den Informationen über diese zwei oder mehr Absorptionskoeffizienten einen spezifischen absorbierenden Bestandteil im Streumedium, wie dem lebenden Körper, z.B. Hämoglobin oder dergleichen, zu messen.
Wie oben erwähnt, kann in der Vorrichtung und in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung die zeitliche Antwortcharakteristik des Lichts, das durch das Streumedium hindurch gegangen ist, hauptsächlich die Abschwächungsrate (Abschwächungseigenschaft) des Lichts, genau erhalten werden, ohne durch die zeitliche Antwortcharakteristik des Photodetektors beeinflusst zu werden, und dadurch können Inneninformationen über das Streumedium, wie eine Konzentration einer absorbierenden Substanz, mit guter Genauigkeit gemessen werden. Die vorliegende Erfindung ist frei von der Notwendigkeit, die Lichtmenge auf ein Photon oder weniger zu verringern, selbst wenn die Lichtmenge, die den Photodetektor erreicht, groß genug ist, und sie ermöglicht eine Datenerfassung innerhalb eines kurzen Zeitabschnitts. Weil die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung verhältnismäßig einfach sind, kann weiterhin eine preiswerte Vorrichtung und ein preiswertes Verfahren realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung wird durch die ausführliche Beschreibung noch besser verständlich, sowie durch die begleitenden Zeichnungen, die nur zur Illustration dienen, und folglich nicht als begrenzend auf die vorliegende Erfindung betrachtet werden sollen.
Weiterer Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung wird aus der ausführlichen Beschreibung offensichtlich, die im folgenden gegeben wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine erläuternde Zeichnung für das gepulste Licht, das durch den vermessenen Gegenstand gegangen ist, und für die Ausgangswellenform, die durch den Photodetektor beobachtet wird, welcher eine begrenzte zeitliche Antwortcharakteristik hat.
2A und 2B sind erläuternde Zeichnungen des Verhaltens des Lichts innerhalb des Streumediums unter Transmission bzw. Reflexion.
3 ist eine erläuternde Zeichnung der Positionen der virtuellen Photonenquellen unter Berücksichtigung der Randbedingung einer halb-unendlichen Schicht.
4 ist ein Diagramm, um die Relation zwischen der Neigung der zeitaufgelösten Wellenform und dem Absorptionskoeffizienten zu zeigen, wenn das gepulste Licht, das durch das Innere des Streumediums gegangen ist, in einer logarithmischen Form dargestellt wird.
5 ist eine strukturelle Zeichnung der Vorrichtung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6A und 6B sind erläuternde Zeichnungen des Betriebs bzw. der zeitlichen Antwortcharakteristik zwischen der Kathode und der Anode in einer gewöhnlichen Photomultiplier-Röhre.
6C und 6D sind erläuternde Zeichnungen des Betriebs bzw. der zeitlichen Antwortcharakteristik zwischen der Kathode und der ersten Dynode in einer gewöhnlichen Photomultiplier-Röhre.
6E und 6F sind erläuternde Zeichnungen des Betriebs bzw. der zeitlichen Antwortcharakteristik zwischen der Kathode und der Anode in einer Photomultiplier-Röhre gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Zeitschaubild des Betriebs der Vorrichtung der ersten Ausführungsform.
8 ist eine strukturelle Zeichnung der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein Zeitschaubild des Betriebs der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform.
10 ist eine schematische Schnittansicht einer Einfallposition und einer Erfassungspositionen der Vorrichtung der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird vor der Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schematisch erläutert.
Innerhalb des Streumediums wie des lebenden Körpers ist das Licht Streuung und Absorption unterworfen, wenn es diffusiv durch das Innere des lebenden Körpers propagiert, und ein Teil davon kommt aus die Oberfläche heraus. 2A und 2B enthalten erläuternde Zeichnungen des Verhaltens des Lichts innerhalb des Streumediums.
2A zeigt das Verhaften im Fall von Transmission, während 2B das Verhalten im Fall von Reflexion zeigt. Das Licht, das auf das Streumedium fällt, breitet sich über fast den gesamten Bereich kugelförmig aus, wenn es innen unregelmäßig gestreut wird, und 2A und 2B zeigen Trajektorien der Photonen, bei denen das Licht, das auf einen bestimmten Punkt fällt, durch den Detektor erfasst wird, der an einem Ort aufgestellt ist, der von der Position des Einfalls verschieden ist. Mit anderen Worten zeigen 2A und 2B das Verhaften der Photonen im Streumedium, die wirklich delektiert werden. Es ist bekannt, dass ein solches Verhalten des Lichts innerhalb des Streumediums durch die Photondiffusionstheorie beachtlich genau beschrieben werden kann (M. S. Patterson et al., Applied Optics, Vol. 28, Nr. 12, 15. Juni 1989, S. 2331-2336) (im Folgenden als Referenz 1 bezeichnet)). Gemäß der Photondiffusionstheorie dehnt sich die Pulsbreite eines auf das Streumedium einfallenden Lichtpulses während der diffusiven Propagation durch Streuung und Absorption innerhalb des Streumediums aus. Andererseits kann das Verhalten der einzelnen Photonen, die diffusiv innerhalb des Streumediums propagieren, durch Monte-Carlo Simulationen unter Verwendung einer Prozessoreinrichtung analysiert werden. Es ist auch möglich, Experimente durchzuführen, wobei tatsächlich ein physikalisches Modell oder eine lebende Probe des Streumediums verwendet wird. Es ist vor kurzem bestätigt worden, dass ein Ergebnis, das aus der Photondiffusionstheorie erhalten wird, gute Übereinstimmung mit einem Ergebnis zeigt, das durch die Monte-Carlo Simulation oder mit einem Ergebnis aus dem Experiment mit dem physikalischen Modell erzielt wurde. Das Verhalten des Lichts innerhalb des Streumediums kann dem gemäß durch die Photondiffusionstheorie genau beschrieben werden.
Die Photondiffusionstheorie wird nun erläutert. Die Photondiffusionsgleichung wird wie folgt z.B. durch die Photonfluenzrate ausgedrückt.
In der oben genannten Gleichung ist
ϕ(r, t): die Photonfluenzrate [Photonen/(mm² sec)] an der Stelle r (r: dreidimensionaler Ortsvektor; ebenso im Folgenden) und zur Zeit t
D: der Photondiffusionskoeffizient [mm]
μ_α: der Absorptionskoeffizient [mm^–1]
c: die Geschwindigkeit der Photonen im Streumedium [mm/sec]
S(r, t): die Lichtquelle [Photonen/(mm³ sec)]
Weil eine Impulslichtquelle durch eine Delta-Funktion ausgedrückt wird, wird ein Lichtimpulseinfall am Ursprung (r = 0) und bei t = 0 wie folgt ausgedrückt wird. S(r, t ) = δ(r, t) = δ(0, 0) = δ(0)·δ(0)
Folglich ist die Photondiffusionsgleichung für den Einfall des Impulslichts wie folgt gegeben.
Wenn die optischen Konstanten hinsichtlich des Streumediums wie folgt definiert werden:
μ_s: der Streukoeffizient;
μ_s': der Transport-Streukoeffizient; und
g: der mittlere Kosinus der Streuwinkels θ; so gelten die folgenden Relationen. D = [3(μs + μs')–1 μs'= (1 – g)μs
Die Randbedingung für den Fall, in dem der Lichtimpuls auf das Streumedium einfällt, das den Halbraum einnimmt, wird dargestellt, indem eine negative Punktlichtquelle an die Stelle (ρ₀ = 0 (ρ₀: ein zweidimensionaler Ortsvektor; ebenso im folgenden) und z = –z₀) gesetzt wird, wie in Referenz 1 beschrieben und wie in 3 gezeigt. Normalerweise ist z₀ ungefähr 1/μ_s'. Durch Lösen der Photondiffusionsgleichung Gl. (2) unter dieser Randbedingung wird die Lichtsignalintensität R(ρ, 0, t) [Photonen/(mm² sec)) wie folgt an einer beliebigen Stelle (ρ, 0) auf der Oberfläche des Streumediums erhalten. R(ρ, 0, t) = (4πDc)–3/2 z0t–5/2 × exp[–(z0 2 + ρ2)/(4Dct)] × exp(–μαct) (3)Dann wird der Logarithmus von Gl. (3) nach der Zeit t abgeleitet, um eine Neigung der Intensitätswellenform des beobachteten Lichts zu jeder Zeit zu erhalten, wodurch Gl. (4) erhalten wird.
Gl. (5) wird erhalten, indem in Gl. (4) t → ∞ gesetzt wird.
Dies bedeutet nämlich, dass der Absorptionskoeffizient aus einer Neigung (Steigung) einer logarithmischen Darstellung der zeitaufgelösten Wellenform erhalten werden kann, die an einem Punkt beobachtet wird, wenn eine genügend große Zeit nach Einfall des gepulsten Lichts auf das Streumedium vergangen ist. 4 ist eine erläuternde Zeichnung einer Relation des Absorptionskoeffizienten mit der zeitlichen Wellenform, die in logarithmischer Form des gepulsten Lichts, das durch das Innere des Streumediums gegangen ist, angegeben ist.
Als Nächstes wird ein Verfahren der arithmetischen Verarbeitung zum Ableiten von Informationen hinsichtlich des absorbierenden Bestandteils unter Verwendung des so erhaltenen Absorptionskoeffizienten erläutert.
Verfahren zur Berechnung der Hämoglobinsauerstoffsättigung
Die hauptsächlichen absorbierenden Bestandteile im Gehirn von Säugetieren sind Wasser, Zellfarbstoff und sauerstoffangereichertes und sauerstoffabgereichertes Hämoglobin. Die Absorption des Wassers und des Zellfarbstoffs ist im Nahinfrarotbereich so klein, dass sie relativ zu sauerstoffangereichertem und sauerstoffabgereichertem Hämoglobin fast vernachlässigbar ist. Deshalb werden zwei Arten von Lichtstrahlen der Wellenlänge λ₁ und der Wellenlänge λ₂ betrachtet. Dann sind die Absorptionskoeffizienten μ_a1 und μ_a2 für λ₁ und λ₂ wie folgt durch das Beer-Lambert'sche Gesetz gegeben. μα1 = ε11·[Hb] + ε12·[HbO2] (6.1) μα2 = ε21·[Hb] + ε22·[HbO2] (6.2)
Hierin sind

ε₁₁:: der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1 M^–1] von sauerstoffabgereichertem Hämoglobin für das Licht mit der Frequenz = λ₁
ε₁₂:: der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1 M^–1] von sauerstoffangereichertem Hämoglobin für das Licht mit der Frequenz = λ₁
ε₂₁:: der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1 M^–1] von sauerstoffabgereichertem Hämoglobin für das Licht mit der Frequenz = λ₂
ε₂₂:: der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1 M^–1] von sauerstoffangereichertem Hämoglobin für das Licht mit der Frequenz = λ₂
[Hb]:: die molare Konzentration [M] von sauerstoffabgereichertem Hämoglobin
[HbO₂]:: die molare Konzentration [M] von sauerstoffangereichertem Hämoglobin.

Hier wird die Sauerstoffsättigung Y wie folgt definiert: Y = [HbO2]/([HbO2] + [Hb]) (7)und folglich wird die folgende Gleichung erzielt.
Deshalb kann man unter Verwendung von μ_α1/μ_α2, das durch die zuvor genannte Messung erhalten wurde, und den bekannten Parametern ε₁₁, ε₁₂, ε₁₃, ε₂₂ die molare Konzentration [Hb] von sauerstoffabgereichertem Hämoglobin, die molare Konzentration [HbO₂] von sauerstoffangereichertem Hämoglobins, die molare Gesamtkonzentration = [Hb] + [HbO₂] von Hämoglobin und die Sauerstoffsättigung Y (E. M. Sevick et al., Analytical Biochemistry 195, pp. 330-351 (1991), im Folgenden als Referenz 2 bezeichnet).
Fall von vorhandener Hintergrundabsorption
Wenn abgesehen von Hämoglobin absorbierende Bestandteile als Hintergrundabsorption zu berücksichtigen sind, ermöglicht die Verwendung einer Lichtquelle mit drei Wellenlängen eine genauere quantitative Messung der Hämoglobinkonzentration. In diesem Fall ist unter Berücksichtigung von Licht der dritten Wellenlänge = λ₃ zusätzlich zum Licht der zwei Wellenlängen (λ₁, λ₂), μα1 = ε11·[Hb] + ε12·[HbO2] + α1 (9.1) μα2 = ε21·[Hb] + ε22·[HbO2] + α2 (9.2) μα3 = ε31·[Hb] + ε32·[HbO2] + α3 (9.3)
Hierin sind

α₁:: die Hintergrundabsorption [mm^–1] von Licht mit der Wellenlänge = λ₁
α₂:: die Hintergrundabsorption [mm^–1] von Licht mit der Wellenlänge = λ₂
α₃:: die Hintergrundabsorption [mm^–1] von Licht mit der Wellenlänge = λ₃
ε₃₁:: der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1 M^–1] von sauerstoffabgereichertem Hämoglobin für das Licht mit der Wellenlänge = λ₃
ε₃₂:: der molare Absorptionskoeffizient [mm^–1 M^–1] von sauerstoffangereichertem Hämoglobin für das Licht mit der Wellenlänge = λ₃.

Durch Umstellen der Gln. (9.1) bis (9.3) erhält man die folgende Gleichung.
Wenn hierin die Wellenlängen des Lichts so gewählt sind, dass (α₁ – α₂) und (α₃ – α₂) genügend klein sind,
wird die obige Gleichung erhalten. Durch Umschreiben dieser Gleichung in eine Gleichung der Hämoglobinsauerstoffsättigung Y,
wird die oben genannte Gleichung erhalten, und auf die gleiche Weise, wie im oben genannten Fall von zwei Wellenlängen, kann man die molare Konzentration [Hb] von sauerstoffabgereichertem Hämoglobin, die molare Konzentration [HbO₂] von sauerstoffangereichertem Hämoglobin, die molare Gesamtkonzentration [Hb] + [HbO₂] von Hämoglobin und die Sauerstoffsättigung Y aus den Absorptionskoeffizienten für die jeweiligen Lichtstrahlen die drei Wellenlängen und den bekannten Parametern berechnen (Referenz 2). Die Ausführungsformen der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen erläutert. Bei der Erläuterung der Zeichnungen werden die gleichen Elemente durch die gleichen Bezugsziffern bezeichnet, und eine redundante Beschreibung wird weggelassen.
Erste Ausführungsform
5 ist eine strukturelle Zeichnung der ersten Ausführungsform der Konzentrations-Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 gezeigt, ist diese Vorrichtung versehen mit: einer Pulslichtquellen-Antriebsschaltung 1 zum gepulsten Betreiben der Lichtquelle, einer gepulsten Lichtquelle 2, einer Lichtführung 3 für die Lichtquelle, die angeordnet ist, um gepulstes Licht zu einem gemessenen Gegenstand 4 zu führen, einer Lichtführung 5 zur Erfassung, die angeordnet ist, um das gepulste Licht zu erfassen, welches diffusiv innerhalb des gemessenen Gegenstands (ein Streumedium) 4 zu einem Photodetektor 6 propagiert ist, dem Photodetektor 6 zum Ausgeben von Lichterfassungssignalen entsprechend der Intensität des darauf einfallenden Lichts, einem Signalintegrator 7 zum Integrieren von Signalen (Signalintensitäten), die durch den Photodetektor 6 erfasst wurden, einem A/D Konverter 8 zum Umwandeln eines erhaltenen Signals in ein digitales Signal, einer Signalverarbeitungseinrichtung 9 zum Durchführen einer arithmetischen Operation mit dem digitalen Signal und zur Speicherung eines Resultats davon, einer Trigger-Verzögerungsschaltung (Zeitsteuerung) 10 zum Verzögern und Justieren eines Triggersignals von der Pulslichtquellen-Antriebsschaltung 1, einer Gatespannung-Anlegeschaltung (Gatespannung-Erzeugungsschaltung) 11, die zum Einstellen der Pulsbreite geeignet ist, und mit einer Anzeigevorrichtung 12 zum Anzeigen eines Resultats der arithmetischen Operation der Verarbeitungseinrichtung 9.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der anwendbare Photodetektor 6 eine Photomultiplier-Röhre, wobei an dessen erster Dynode Gatespannungspulse (Gatesignalausgabe) von der Gatespannung-Anlegeschaltung 11 angelegt werden. 6A–6F, insbesondere 6E und 6F sind erläuternde Zeichnungen des Betriebes des Photodetektors 6, der in dieser Weise aufgebaut ist. Im Speziellen sind 6A und 6B erläuternde Zeichnungen des Betriebs bzw. der zeitlichen Reaktionscharakteristik zwischen der Kathode 601' und der Anode 602' in einer gewöhnlichen Photomultiplier-Röhre 6'. 6C und 6D sind erläuternde Zeichnungen des Betriebs bzw. der zeitlichen Reaktionscharakteristik zwischen der Kathode 601' und der ersten Dynode 611' in einer gewöhnlichen Photomultiplier-Röhre 6'. 6E und 6F sind erläuternde Zeichnungen des Betriebs bzw. der zeitlichen Reaktionscharakteristik zwischen der Kathode 601 und der Anode 602 in einer Photomultiplier-Röhre 6 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie in 6A und 6B gezeigt, haben die gewöhnlichen Photomultiplier-Röhren 6' eine zeitliche Reaktion von einigen ns zwischen der Kathode 601' und der Anode 602', aber die Migrationszeit der Elektronen ist sehr kurz, einige 100 ps zwischen der Kathode 601' und der ersten Dynode 611' der Photomultiplier-Röhre 6'; wie 6C und 6D gezeigt, ist die zeitliche Reaktion zwischen der Kathode 601' und der ersten Dynode 611' einige 100 ps. Deshalb ermöglicht, wie in 6E und 6F gezeigt, das Anlegen eines Gatesignalimpulses (Gatespannungsimpuls) 621 an die erste Dynode 611 das Ausschneiden eines Teils 631 einer Wellenform, welche mit guter Wiederholbarkeit die Wellenform 632 des auf die Kathode 601 bei der Stufe der ersten Dynode 611 einfallenden Lichts wiedergibt. Dann gibt die Anode 602 ein Signal (Lichterfassungssignal) 633 entsprechend der Amplitude des so ausgeschnittenen Teils 631 der Wellenform x der Zeit aus.
Die Wellenform des Signals 633, das von der Anode 602 ausgegeben wird, ist abhängig von der Zeitkonstanten zwischen der ersten Dynode 611 und der Anode 602, zwischen denen die Dynoden 612–616 angeordnet sind, abgestumpft, aber ein Wert der Zeitintegration des Signals 633 gibt den Amplitudenwert der Wellenform 631, die an der Stufe der ersten Dynode 611 ausgeschnitten wird, gut wieder, und ermöglicht so, den Ausschnitt anteil 631 der einfallenden Wellenform aus dem Zeitintegrationswert des Signals 633, das von der Anode 602 ausgegeben wird, zu reproduzieren.
Wie beschrieben, kann gemäß dieser Vorrichtung, die den oben erwähnten Photodetektor 6 umfasst, eine genaue Messung mit geringem Einfluss der zeitlichen Reaktionscharakteristik durchgeführt werden.
Die Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform misst in der folgenden Weise eine Konzentration einer bestimmten Substanz innerhalb des vermessenen Gegenstands 4. 7 ist ein Zeitschaubild zur Erläuterung des Betriebes der Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform.
Bei der Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform, wird die Lichtausgabe der gepulsten Lichtquelle 2, wie eine Laserdiode, eine LED, ein SLD, ein phasenverriegelter Farbstofflaser oder ein Titansaphirlaser, die durch den Pulslichtquellen-Antriebsschaltkreis 1 pulsbetrieben wird, durch die Lichtführung 3 für die Lichtquelle auf die Oberfläche des vermessenen Gegenstandes 4 geführt. Die Wellenlänge des verwendeten Lichts ist abhängig von dem vermessenen Gegenstand geeignet vorgewählt. Im Allgemeinen wird im Fall, dass ein lebender Körper der gemessene Gegenstand ist, Nahinfrarotlicht, das von ungefähr von 600 nm bis 1500 nm reicht, verwendet, weil die Absorption des Hämoglobins oder dergleichen von der Wellenlänge abhängt.
Das gepulste Licht, welches diffusiv innerhalb des gemessenen Gegenstands 4, der ein Streumedium ist, propagiert ist, wird durch die Lichterfassungsführung 5 empfangen, die an der Position (Erfassungsposition 402) mit dem Abstand |ρ| von der Position (Einfallposition 401) des Einfalls des Lichts gelegen ist, um zum Photodetektor 6 geführt zu werden. Der einsetzbare Photodetektor 6 kann eine Stoßentladungs-Fotodiode oder dergleichen zusätzlich zur Photomultiplier-Röhre sein.
Wenn das verwendete gepulste Licht eine Vielzahl von Wellenlängen enthält, oder wenn Licht mit anderer Wellenlänge als die Wellenlange des einfallenden Lichts, z.B. durch Fluoreszenz, im Innern das Streumedium auftritt, kann bei Bedarf ein Wellenlängen-Auswahlfilter 13 zwischen den Photodetektor 6 und den vermessenen Gegenstand 4 angeordnet sein.
Die Trigger-Verzögerungsschaltung 10 stellt das Triggersignal (TG) von der Pulslichtquellen-Antriebsschaltung 1 auf die erste Erfassungszeit (t_d1) ein, die der zeitlichen Dämpfungsneigung der Intensität des gepulsten Lichts entspricht, welches diffusiv innerhalb des vermessenen Gegenstands 4 propagiert ist, und der erste Gatespannungsimpuls (GC₁), der von der Gatespannung-Anlegeschaltung 11 erzeugt wird, wird an den Photodetektor 6 angelegt, wodurch ein erstes Lichterfassungssignal nur während einer Periode (p_d) des ersten angelegten Gatespannungsimpulses erfasst wird. Das erste Lichterfassungssignal, das durch den Photodetektor 6 erfasst wird, wird durch den Signalintegrator 7 integriert, um als erste Signalintensität (I₁) in einem Speicher innerhalb der Signalverarbeitungseinrichtung 9 aufgezeichnet zu werden.
Als nächstes wird der zweite Gatespannungsimpuls (GC₂) an den Photodetektor 6 zu einer zweiten Erfassungszeit (t_d2) angelegt, der durch die Trigger-Verzögerungsschaltung 10 um eine geeignete Zeitdauer gegenüber der ersten Erfassungszeit (t_d1) verzögert ist. Die zweite Zeitdauer (p₂) zwischen der Einfallszeit (t_i) und der zweiten Erfassungszeit (t_d2) ist länger als die erste Zeitdauer (p₁) zwischen der Einfallszeit (t_i) und der ersten Erfassungszeit (t_d1). So wird ein zweites Lichterfassungssignal nur während einer Zeitdauer (p_d) in welcher der zweite Gatespannungsimpuls (GC₂) angelegt wird, erfasst. Das zweite Lichterfasungssignal, das durch den Photodetektor 6 erfasst wurde, wird durch den Signalintegrator 10 integriert, um als zweite Signalintensität (I₂) im Speicher innerhalb der Signalverarbeitungseinrichtung 9 aufgezeichnet zu werden.
In der Signalverarbeitungseinrichtung 9 wird die zeitliche Dämpfungsneigung der Intensität des gepulsten Lichts, das diffusiv innerhalb des vermessenen Gegenstands 4 propagiert ist, aus einem Zeitunterschied zwischen der ersten Zeitdauer (p₁) und der zweiten Zeitdauer (p₂) und einem Verhältnis des Logarithmus der ersten Signalintensität (I₁) und des Logarithmus der zweiten Signalintensität (I₂) berechnet, wodurch der Absorptionskoeffizient im Inneren des Streumediums als Inneninformation des Streumediums berechnet wird. Das so berechnete Resultat wird auf der Anzeigevorrichtung 12 angezeigt.
Im Allgemeinen ist, wenn der lebende Körper mit gepulstem Licht einer sehr kurzen Zeitdauer bestrahlt wird, die Dämpfungszeit der Pulswellenform, die durch das Innere des lebenden Körpers gegangen ist, d.h. die Zeitdauer zwischen dem Peak der Lichtintensität und dem Null-Signal, ungefähr 5 bis 10 ns. Deshalb ist die Breite des Gatespannungsimpulses, der an den Photodetektor angelegt wird, vorzugsweise ungefähr 1 ns, und der Zeitunterschied zwischen der ersten Zeitdauer (p₁) zum Anlegen des ersten Gatespannungsimpulses (GC₁) und der zweiten Zeitdauer (p₂) zum Anlegen des zweiten Gatespannungsimpulses (GC₂) ist vorzugsweise 3 bis 5 ns.
Eine hohe Wiederholungsrate ist für die gepulste Lichtquelle 2 erwünscht, um Kurzzeitmessungen zu ermöglichen, aber weil die Pulsbreite auf 10 bis 20 ns nach Durchgang durch das Innere der lebenden Körpers verbreitert wird, werden sich im Fall einer zu hohen Wiederholungsrate aufeinanderfolgende Wellenformen mit vorhergehenden Wellenformen überlappen, die eine genaue Messung schwierig machen. Deshalb ist die Wiederholungsrate der verwendeten gepulsten Lichtquelle vorzugsweise zwischen 5 MHz und 50 MHz.
Das zuvor erläuterte Verfahren zur Berechnung des Absorptionskoeffizienten des Streumediums aus der zeitlichen Dämpfungsneigung der Intensität des gepulsten Lichts, das diffusiv innerhalb der vermessenen Gegenstands 4 propagiert ist, und die gleiche arithmetische Operation können unter Verwendung eines ansteigenden Anteil des Signals durchgeführt werden. Weiterhin kann eine ähnliche arithmetische Operation durchgeführt werden, indem mit Gl. (3) Signale der Lichtintensität analysiert werden, die durch Gatesignale zu drei oder mehr unterschiedlichen Zeiten während der Zeitdauer, in der das Lichterfassungssignal vorhanden ist, ausgeschnitten werden.
Zweite Ausführungsform
8 ist eine strukturelle Zeichnung einer weiteren Konzentrationsmessvorrichtung. Wie in 8 gezeigt, ist diese Vorrichtung von der Vorrichtung der ersten Ausführungsform dadurch verschieden, dass sie einen zweidimensionalen Bildvervielfacher 62 verwendet, der einen Bildverstärker 61 oder dergleichen umfasst, der zum Gatebetrieb als Photodetektor 6 geeignet ist. Die Gatespannungsimpulse werden zu einer ersten und einer zweiten Zeit angelegt, die der zeitlichen Dämpfungsneigung der Intensität des gepulsten Lichts entsprechen, welches diffusiv innerhalb des gemessenen Gegenstands 4 propagiert ist, und die zeitliche Dämpfungsneigung der Intensität des gepulsten Lichts wird aus einem Verhältnis der Logarithmen der Intensität der ersten und zweiten Lichterfassungssignale berechnet, die während der Zeitdauer der angelegten Gatespannungsimpulse erhalten werden, wodurch gleichzeitig eine eindimensionale oder zweidimensionale Verteilung des Absorptionskoeffizienten innerhalb des Streumediums berechnet wird.
Die Vorrichtung wie in 8 gezeigt misst eine Konzentration einer spezifischen Substanz innerhalb des vermessenen Gegenstands 4 auf die folgende Weise. 9 ist eine Zeitschaubild, um das Betreiben der Vorrichtung dieser Ausführungsform zu erläutern. Bei der Vorrichtung wie in 8 gezeigt sammelt eine Kollimationslinse 31 ein Lichtbündel von der gepulsten Lichtquelle 2, wie eine Laserdiode, eine LED, ein SLD, ein phasenverriegelter Farbstofflaser oder ein Titansaphirlaser, die durch die Pulslicht-Antriebsschaltung 1 pulsbetrieben wird, um den zu vermessenen Gegenstand 4 damit zu bestrahlen. Das gepulste Licht, das diffusiv innerhalb des vermessenen Gegenstands 4 propagiert ist, wird auf der Bildverstärker 61 mit Gatschaltung durch eine Fokussierlinse 51 abgebildet.
Die Trigger-Verzögerungsschaltung (Zeitsteuerung) 10 justiert das Triggersignal (TG) von der Pulslicht-Antriebsschaltung 1 auf die erste Erfassungszeit (t_d1), entsprechend der zeitlichen Dämpfungsneigung der Intensität des gepulsten Lichts, welches diffusiv inner halb des vermessenen Gegenstands 4 propagiert ist, den ersten Gatespannungsimpuls (GC₁), welcher von der Gatespannung-Anlegeschaltung 11 erzeugt wird und am Bildverstärker 61 des Photodetektors 6 angelegt wird, und das erste Lichterfassungssignal nur während der Zeitdauer (p_d), in welcher der erste Gatespannungsimpuls (GC₁) angelegt wird, durch den zweidimensionalen Photodetektor 62 wie die CCD-Kamera, welcher an der Rückseite des Bildverstärkers 61 angeschlossen ist, als zweidimensionales Bild erfasst wird. Das zweidimensionale Bild, das durch den Detektor 62 erfasst wurde, wird durch den A/D Konverter 8 in ein digitales Signal umgewandelt, das als ein Abbild der ersten Signalintensität (I₁) im Speicher innerhalb der Verarbeitungseinrichtung 9 aufgezeichnet wird.
Als nächstes wird der zweite Gatespannungsimpuls (GC₂) zur zweiten Erfassungszeit (t_d2), um eine geeignete Zeitdauer von der ersten Erfassungszeit (t_d1) durch die Trigger-Verzögerungsschaltung 10 verzögert, am Bildverstärker 61 angelegt. Die zweite Zeitdauer (p₂) zwischen der Einfallzeit (t_i) und der zweiten Erfassungszeit (td₂) ist länger als die erste Zeitdauer (p₁) zwischen der Einfallzeit (t_i) und der ersten Erfassungszeit (t_d1). Deshalb wird das zweite Lichterfassungssignal nur während der Zeitdauer (p_d), in welcher der Gatespannungsimpuls (GC₂) angelegt wird, durch den zweidimensionalen Detektor 62 als zweidimensionales Bild erfasst. Das zweite zweidimensionale Bild, das durch den zweidimensionalen Detektor 62 erfasst wird, wird durch den A/D Konverter 8 in ein digitales Signal umgewandelt, welches als ein Abbild der zweiten Signalintensität (I₂) im Speicher innerhalb der Verarbeitungseinrichtung 9 aufgezeichnet wird.
Innerhalb der Verarbeitungseinrichtung 9 wird die zeitliche Dämpfungsneigung der Intensität des gepulsten Lichts, das diffusiv innerhalb des vermessenen Gegenstands 4 propagiert ist, aus dem Zeitunterschied zwischen der ersten Zeitdauer (p₁) und der zweiten Zeitdauer (p₂) und einem Verhältnis des Logarithmus der ersten Signalintensität (I₁) und des Logarithmus der zweiten Signalintensität (I₂), welche als zweidimensionale Bilder erhalten wurden, berechnet, und die zweidimensionale Verteilung des Absorptionskoeffizienten innerhalb des Streumediums wird berechnet. Weiterhin wird das berechnete zweidimensionale Verteilungsbild des Absorptionskoeffizienten auf der Anzeigevorrichtung 12 angezeigt.
Das gepulste Licht kann durch eine einzelne optische Faser oder eine Vielzahl von optischen Fasern zum vermessenen Gegenstand geführt werden. Weiterhin kann, wie in 10 gezeigt worden, eine Vielzahl von optischen Fasern 5 auf die Oberfläche des vermessenen Gegenstands 4 eingestellt werden, um eine Vielzahl von Lichterfassungssignalen von der Oberfläche des vermessenen Gegenstands 4 gleichzeitig zu dem Bildverstärker oder dergleichen zu führen
Ein eindimensionaler Detektor wie z.B. eine lineare Diodenanordnung kann an der Rückseite des Bildverstärkers 61 angeschlossen sein. In diesem Fall ist das Verfahren der Signalaufbereitung das gleiche wie bei dem zweidimensionalen Detektor, wie etwa der CCD, aber ein erhaltenes Berechnungsresultat ist eine eindimensionale Verteilung des Streukoeffizienten innerhalb des Streumediums, in eine Richtung, in welche der eindimensionale Detektor eingestellt ist. Wenn das verwendete gepulste Licht eine Vielzahl von Wellenlängen enthält, oder wenn Licht der anderen Wellenlänge als die des Einfallslichts, z.B. Fluoreszenz, innerhalb des Streumediums auftritt, kann falls notwendig ein Wellenlängenauswahl-Filter 13 an einer geeigneten Position zwischen dem zweidimensionalen Bildvervielfacher 6 und dem gemessene Gegenstand 4 angeordnet werden.
Das Vorangehende erläutert das Verfahren zur Berechnung des Absorptionskoeffizienten des Streumediums aus der zeitlichen Dämpfungsneigung der Intensität des gepulsten Lichts, das diffusiv innerhalb des vermessenen Gegenstands 4 propagiert ist, aber die gleiche arithmetische Operation kann auch unter Verwendung des ansteigenden Teil des Signals durchgeführt werden. Weiterhin kann die gleiche arithmetische Operation auch durchgeführt werden, indem mit Gl. (3) Signale der Lichtintensität analysiert werden, die durch Gatesignale zu drei oder mehr unterschiedlichen Zeiten während der Zeitdauer ausgeschnitten werden, in der das Lichterfassungssignal vorhanden ist.
Wie oben genau geschildert, ist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung so angeordnet, dass das gepulste Licht der vorbestimmten Wellenlänge in das Streumedium, wie etwa den lebenden Körper, eintritt und das Licht der vorbestimmten Wellenlänge, welches aus der Oberfläche herauskommt, erfasst wird nachdem es innerhalb des Streumediums diffusiv propagiert ist, wobei eine Vielzahl von Gatespannungsimpulsen zu vorbestimmten Zeiten am Photodetektor angelegt werden, um ein Vielzahl von Anteilen des Ausgangslichterfassungssignals auszuschneiden, und um die zeitaufgelöste Charakteristik der Intensität des gepulsten Lichts zu erhalten, das diffusiv propagiert ist. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann deshalb diese charakteristischen Inneninformationen des Streumediums, wie etwa eine Konzentration eines spezifischen absorbierenden Bestandteils innerhalb eines lebenden Körpers, z.B. die Konzentration von Hämoglobin oder dergleichen, und die Hämoglobinsauerstoffsättigung, quantitativ mit hoher Genauigkeit und auf einer nicht-eingreifenden Basis messen.

Claims

Vorrichtung zum Vermessen eines Streumediums (4), welches eine lichtabsorbierende Substanz enthält, wobei die genannte Vorrichtung umfasst: eine Lichtquelle (2) zum Ausstrahlen von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge, wobei das genannte Licht zu Einfallzeiten auf das genannte Streumedium (4) fällt; ein Photodetektor (6) zum Erfassen einer Intensität des genannten Lichts, welches diffusiv durch das genannte Streumedium (4) von einer Einfallposition zu einer Erfassungsposition propagiert ist; eine Gatespannung-Anlegeschaltung (11); und eine Signalverarbeitungseinheit (9) zum Sammeln der genannten Lichterfassungssignale, um während den Zeiten der Anlegung der genannten Gatespannungsimpulse Signalintensitäten zu erhalten, und zum Berechnen von Inneninformationen über das genannte Streumedium (4), basierend auf den so erhaltenen genannten Signalintensitäten; dadurch gekennzeichnet, dass die Gatespannung-Anlegeschaltung (11) an den genannten Photodetektor (6) zu einer Vielzahl von Erfassungszeiten Gatespannungsimpulse anlegt, wobei die genannten Einfallzeiten und die genannten Erfassungszeiten voneinander verschieden sind, um zu bewirken, dass der genannte Photodetektor (6) Lichterfassungssignale ausgibt, welche der Intensität des genannten Lichts während den Zeiten der Anlegung der genannten Gatespannungsimpulse entsprechen, und worin der Photodetektor eine Photomultipier-Röhre ist, die eine Dynode umfasst, welche mit der genannten Gatespannung-Anlegeschaltung verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der Photodetektor (6) derart ist, dass er eine Gateschaltung umfasst, die mit der genannten Gatespannung-Anlegeschaltung (11) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die vorbestimmte Wellenlänge des genannten Lichts nicht kleiner als 600 nm und nicht größer als 1500 nm ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das genannte Licht, welches auf das genannte Streumedium (4) fällt, gepulstes Licht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Zeitsteuerung zum Steuern der genannten Erfassungszeiten wenn die genannten Gatespannungsimpulse durch die genannte Gatespannung-Anlegeschaltung (11) erzeugt werden, und der genannten Einfallzeiten wenn das genannte Licht von der genannten Lichtquelle (2) ausgestrahlt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die genannte Signalverarbeitungseinheit (9) ausgestaltet ist, um eine zeitliche Neigung der Intensität des genannten Lichts, das diffusiv durch das genannte Streumedium (4) propagiert ist, basierend auf der genannten Signalintensität während den Zeiten der Anlegung der genannten Gatespannungsimpulse zu erhalten, und um dann einen Absorptionskoeffizienten in dem genanntem Streumedium (4) und eine Konzentration der genannten absorbierenden Substanz basierend auf der genannten zeitlichen Neigung als die genannten Inneninformationen zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das genannte Streumedium (4) eine Vielzahl von lichtabsorbierenden Substanzen enthält, das genannte Licht eine Vielzahl von vorbestimmten Wellenlängen umfasst, und die genannte Signalverarbeitungseinheit (9) ausgestaltet ist, um Absorptionskoeffizienten bezüglich der genannten Wellenlängen zu berechnen, und um Konzentrationen der genannten lichtabsorbierenden Substanzen basierend auf den genannten Absorptionskoeffizienten zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das genannte Streumedium (4) sauerstoffangereichertes Hämoglobin und sauerstoffabgereichertes Hämoglobin als die genannte lichtabsorbierende Substanz enthält, und die genannte Signalverarbeitungseinheit (9) ausgestaltet ist, um eine Konzentration des sauerstoffangereicherten Hämoglobins, eine Konzentration des sauerstoffabgereicherten Hämoglobins und eine Sauerstoffsättigung des Hämoglobins als die genannten Inneninformationen zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin einen Integrator (7) zum Integrieren der jeweiligen genannten Signalintensitäten während den Zeiten der Anlegung der genannten Gatespannungsimpulse umfassend.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der genannte Photodetektor (6) die Intensität des genannten Lichts an einer Vielzahl von Erfassungspositionen auf der Oberfläche des genannten Streumediums (4) erfasst.
Verfahren zum Vermessen eines Streumediums (4), welches eine lichtabsorbierende Substanz enthält, wobei das genannte Verfahren die Schritte umfasst: Ausstrahlen von Licht einer vorbestimmten Wellenlänge von einer Lichtquelle (2), wobei das genannte Licht zu Einfallzeiten auf das genannte Streumedium (4) fällt; Erfassen von Intensität des genannten Lichts durch einen Photodetektor (6), wobei das genannte Licht diffusiv durch das genannte Streumedium (4) von einer Einfallposition zu einer Erfassungsposition propagiert ist; und Sammeln der genannten Lichterfassungssignale durch eine Signalverarbeitungseinheit (9), um während den Zeiten der Anlegung der genannten Gatespannungsimpulse Signalintensitäten zu erhalten, und um Inneninformationen über das genannte Streumedium basierend auf den so erhaltenen genannten Signalintensitäten zu berechnen; gekennzeichnet durch Anlegen von Gatespannungsimpulsen an den genannten Photodetektor (6) zu einer Vielzahl von Erfassungszeiten durch eine Gatespannung-Anlegeschaltung (11), wobei die genannten Einfallzeiten und die genannten Erfassungszeiten voneinander verschieden sind, um zu bewirken, dass der genannte Photodetektor (6) Lichterfassungssignale ausgibt, welche der Intensität des genannten Lichts während den Zeiten der Anlegung der genannten Gatespannungsimpulse entsprechen, Verwenden einer Photomultipier-Röhre als den Detektor (6), die eine Dynode umfasst, welche mit der genannten Gatespannung-Anlegeschaltung verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, worin der Photodetektor (6) derart ist, dass er eine Gateschaltung umfasst, die mit der genannten Gatespannung-Anlegeschaltung (11) verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, worin die vorbestimmte Wellenlänge des genannten Lichts nicht kleiner als 600 nm und nicht größer als 1500 nm ist.
Verfahren nach Anspruch 11, worin das genannte Licht, welches auf das genannte Streumedium (4) trifft, gepulstes Licht ist.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin den Schritt umfassend: Steuern der genannten Erfassungszeiten wenn die genannten Gatespannungsimpulse erzeugt werden und der genannten Einfallzeiten wenn das genannte Licht ausgestrahlt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin die Schritte umfassend: Ermitteln einer zeitlichen Neigung der Intensität des genannten Lichtes, welches diffusiv durch das genannte Streumedium (4) propagiert ist, basierend auf den genannten Signalintensitäten während den Zeiten der Anlegung der genannten Gatespannungsimpulse, und Berechnung eines Absorptionskoeffizienten in dem genannten Streumedium (4) und einer Konzentration der genannten lichtabsorbierenden Substanz als die genannten Inneninformationen, basierend auf der genannter zeitlichen Neigung.
Verfahren nach Anspruch 11, worin das genannte Streumedium eine Vielzahl von lichtabsorbierenden Substanzen enthält, worin das genannte Licht eine Vielzahl von vorbestimmten Wellenlängen umfasst, und weiterhin die Schritte der Berechnung von Absorptionskoeffizienten bezüglich der genannten Wellenlängen und der Berechnung von Konzentrationen der genannten lichtabsorbierenden Substanzen basierend auf den genannten Absorptionskoeffizienten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, worin das genannte Streumedium (4) sauerstoffangereichertes Hämoglobin und sauerstoffabgereichertes Hämoglobin als die genannte lichtabsorbierende Substanz enthält, und weiterhin den Schritt der Berechnung einer Konzentration des sauerstoffangereicherten Hämoglobins, einer Konzentration des sauerstoffabgereicherten Hämoglobins und einer Sauerstoffsättigung des Hämoglobins als die genannten Inneninformationen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin den Schritt der Integration der jeweiligen genannten Signalintensitäten während den Zeiten der Anlegung der genannten Gatespannungsimpulse umfassend.
Verfahren nach Anspruch 11, worin das genannte Erfassen der Intensität des genannten Lichtes an einer Vielzahl von Erfassungspositionen auf der Oberfläche des genannten Streumediums (4) durchgeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die genannte Dynode die erste Dynode der Photomultipier-Röhre ist.
Verfahren nach Anspruch 11, worin die genannte Dynode die erste Dynode der Photomultipier-Röhre ist.