DE69737544T2

DE69737544T2 - Messung der Absorption eines streuenden Mediums

Info

Publication number: DE69737544T2
Application number: DE69737544T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Hamamatsu-shi Tsuchiya; Yutaka Hamamatsu-shi Yamashita
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-10-03
Filing date: 1997-10-03
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2017-10-04
Also published as: EP1338239A3; JPH10111238A; DE69737544D1; EP1683477B1; EP1683477A2; US6104946A; JP3660761B2; EP0834277B1; EP1338239B1; EP1683477A3; DE69740101D1; EP0834277A1; EP1338239A2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messverfahren und eine Messvorrichtung, die in der Lage sind, Informationen bezüglich der Absorption in einem streuenden Medium, wie zum Beispiel lebendem Gewebe und ähnlichem, zu erlangen, ein Abbildungsverfahren und eine Abbildungsvorrichtung, ein Durchleuchtungsverfahren und eine Durchleuchtungsvorrichtung, ein tomographisches Bildaufnahmeverfahren und eine tomographische Bildaufnahmevorrichtung, oder ein mammographisches Verfahren und eine mammographische Vorrichtung. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer zeitlichen Änderung oder einer räumlichen Verteilung der Konzentration eines bestimmten absorbierenden Bestandteils in einem bestimmten Abschnitt innerhalb eines streuenden Mediums, und betrifft des Weiteren ein Messverfahren und eine Messvorrichtung zur Messung von Absorptionsinformationen eines streuenden Mediums, die in der Lage sind, nichtinvasiv eine Konzentrationsverteilung eines bestimmten absorbierenden Bestandteils in einem streuenden Medium, das Oberflächen unterschiedlicher Form aufweist, zu messen.
Stand der verwandten Technik
Es gibt vier verschiedene Arten von grundsätzlichen Verfahren zum Messen oder Abbilden eines lebenden Gewebes eines streuenden Mediums unter Verwendung von Licht, die ganz allgemein eingeteilt werden in (a) die Verwendung von sich geradlinig fortpflanzendem Licht (ballistisches Photon), (b) die Verwendung einer kohärenten Komponente durch Überlagerungserfassung derselben, (c) die Verwendung von Streulicht, und (d) die Verwendung eines zeitaufgelösten Gates.

(a) Das Verfahren, welches das sich geradlinig fortpflan zende Licht (ballistisches Photon) benützt, ist so gestaltet, dass pulsierendes Licht auf einen gemessenen Gegenstand auftrifft, und dass eine sich geradlinig übertragende Komponente im Ausgangslicht durch ein Ultrahochgeschwindigkeitsgate extrahiert wird. Bei dieser Gelegenheit ist die Flugzeit des sich geradlinig übertragenden Lichts kürzer als jene von Streulicht, und ist die kürzeste des gesamten Ausgangslichts. Daher kann das sich geradlinig übertragende Licht erfasst werden, indem ein Lichtanteil, der als erstes aus dem gemessenen Gegenstand austritt, durch das Ultrahochgeschwindigkeitsgate ausgeschnitten wird. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass theoretisch eine hohe räumliche Auflösung, wie zum Beispiel bei der Röntgencomputertomographie, zu erwarten ist. Jedoch streut sich beinahe das gesamte Licht vielfach im gemessenen Gegenstand, der das streuende Medium ist, wodurch die sich geradlinig übertragende Komponente nur sehr selten, oder falls sie doch vorliegt, nur in einer sehr geringen Menge vorhanden ist. Folglich wird der Nutzungsfaktor des zu messenden Lichts sehr schlecht, und wenn man die maximale Lichteinfallsintensität berücksichtigt, die in einen lebenden Körper injiziert werden kann (ungefähr 2 mW/mm²), wäre eine extrem lange Zeit für die Abbildung oder die Messung oder ähnliches erforderlich, was praktisch nicht durchführbar ist. Bei einem großen Gegenstand wie dem Kopf oder dem Arm ist das Signallicht sehr schwach und eine Messung in der Praxis unmöglich.
(b) Das Verfahren, welches die kohärente Komponente benützt, ist so gestaltet, dass kohärentes hochfrequent moduliertes Licht in zwei Komponenten gespalten wird, und dass eine der Komponenten auf den gemessenen Gegenstand auftrifft. Dann wird das Ausgangslicht durch die andere hochfrequent modulierte Lichtkomponente überlagert, um die kohärente Komponente, die das Ausgangslicht aufweist, durch Überlagerung zu erfassen, bevor die kohärente Komponente für die Messung verwendet wird.

Besonders da in diesem Messsystem die Flugzeit (oder die optische Weglänge) und die Flugrichtung von Streulicht in Abhängigkeit des Streugrads fehlgeordnet sind, stört vielfach gestreutes Licht nicht, wodurch sich beinahe geradlinig übertragendes Licht erfasst wird. Daher ist auch in diesem Fall theoretisch eine hohe räumliche Auflösung zu erwarten wie beim vorherigen Beispiel, wobei der Lichtnutzungsfaktor jedoch sehr schlecht ist, so dass es sehr schwierig ist, das Verfahren in der Praxis zum Messen oder Abbilden oder ähnlichem des lebenden Körpers zu verwenden. Des Weiteren ist es praktisch unmöglich, einen großen Gegenstand wie den Kopf oder den Arm zu messen.

(c) Das Verfahren zum Erfassen des Streulichts ist so gestaltet, dass Dauerstrichlicht (continuous wave = CW), pulsierendes Licht oder moduliertes Licht erzeugt wird, das auf den gemessenen Gegenstand auftrifft, und dass das Licht (Ausgangslicht), das sich als Streulicht im gemessenen Gegenstand fortgepflanzt hat, erfasst wird. Bei dieser Gelegenheit, bei der bewirkt wird, dass pulsierendes Licht mit einer Pulsbreite, die ausreichend kürzer ist, als die Zeitreaktionseigenschaft des gemessenen Gegenstandes, auf diesen auftrifft, kann vom Einfall von Impulslicht ausgegangen werden, und das dem entsprechende Ausgangslicht wird durch eine Impulsreaktion ausgedrückt. Die Messung dieser Art wird als zeitaufgelöste Spektroskopie (TRS) bezeichnet, wobei interne Informationen berechnet werden, indem eine zeitaufgelöste Wellenform der Impulsreaktion gemessen wird. Das Verfahren, mit dem bewirkt wird, dass das Dauerstrich-(CW-)Licht auftrifft, wird als CW-Spektroskopie bezeichnet, und die Messung, mit der bewirkt wird, dass moduliertes Licht auftrifft, wird als phasenmodulierte Spektroskopie (PMS) bezeichnet. Erstere misst einen Zeitintegrationswert der Impulsreaktion, und Letztere misst eine Fourier-Transformation der Impulsreaktion, das heißt eine Systemfunktion davon. Aus obiger Erörterung geht hervor, dass die zeitauf gelöste Spektroskopie (TRS) ein Signal erlangt, das mehr Informationen enthält, als die beiden anderen Verfahren. Die phasenmodulierte Spektroskopie (PMS) zum Abtasten der Modulationsfrequenz und die zeitaufgelöste Spektroskopie (TRS) der Impulsreaktion weisen beinahe gleichwertige Informationen auf. Da die Dauerstrich-(CW-)Spektroskopie und die phasenmodulierte Spektroskopie (PMS) zwar stark unterschiedliche Verfahren zur Signalverarbeitung aufweisen, jedoch Signale erlangen, die im Wesentlichen gleichwertige Informationen umfassen, können auf diese Weise beinahe dieselben Informationen gemessen werden. Da all diese Verfahren beinahe das gesamte Ausgangslicht nutzen, sind ihre Nutzungsfaktoren im Vergleich zu den beiden obigen Beispielen (a) und (b) beträchtlich erhöht. Das Streulicht verbreitet sich jedoch beinahe im gesamten oder in einem beträchtlich breiten Bereich innerhalb des gemessenen Gegenstandes, so dass die obigen Verfahren für quantitative Messungen in einem bestimmten, schmalen Bereich nicht angewandt werden können. Bei der abbildenden oder optischen Computertomographie ist die räumliche Auflösung sehr schlecht und die praktische Anwendung sehr schwierig.

Im Unterschied zu den obigen Verfahren verwendet das Verfahren (d), welches das zeitaufgelöste Gate benützt, einen Anteil der Impulsreaktionswellenform. Die Photonen, welche der anfängliche Abschnitt des zeitaufgelösten Ausgangssignals (Impulsreaktionswellenform) umfasst, sind zum Beispiel jene Teilchen, die wenig gestreut sind (Photonen, die auf dem Weg kaum verzögert worden sind), wobei es sich um Photonen handelt, die sich nahe des geraden optischen Weges fortgepflanzt haben, die eine Lichteinfallsstelle (Lichteinfallspunkt) mit einer Lichterfassungsstelle (Lichterfassungspunkt) verbinden. Demgemäß können durch die Nutzung des Signals vom zeitaufgelösten Gate die Photonen, die sich nahe des oben erwähnten geraden optischen Weges fortgepflanzt haben und dann erfasst wurden, extrahiert werden, wodurch die räumliche Auflösung der Abbildung oder ähnli chem verbessert wird. Der Extremfall davon ist das sich geradlinig fortpflanzende Licht (ballistisches Photon), das zuvor beschrieben wurde.
Die Verfahren mit zeitaufgelöstem Gate, die bereits früher entwickelt oder vorgeschlagen worden sind, erlauben keine quantitativen Messungen eines absorbierenden Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums. Der Grund dafür ist, dass kein Verfahren zur analytischen Beschreibung des Signals, das durch das Verfahren mit zeitaufgelöstem Gate erlangt worden ist, entwickelt wurde. Es gibt nämlich keine bekannten Verfahren zum Analysieren des Signals, das durch das Verfahren mit zeitaufgelöstem Gate erlangt worden ist, die auf der Photonenstreuungstheorie basieren, oder zur Nutzung desselben zur Quantifizierung eines absorbierenden Bestandteils. Sogar wenn ein Analyseverfahren basierend auf der Photonenstreuungstheorie entwickelt wird, bleibt das wesentliche Problem bestehen, das sich aus der Basierung auf der Photonenstreuungstheorie ergibt; das heißt, es würde das Problem bestehen bleiben, dass es unmöglich ist, streuende Medien zu messen, die unterschiedliche Konturen aufweisen, sowie solche, auf welche die Streuungsnäherung nicht angewandt werden kann. Aus obiger Erörterung geht hervor, dass das Verfahren mit zeitaufgelöstem Gate die räumliche Auflösung verbessern kann, dass es jedoch zugleich das ernste Problem aufweist, dass die internen Informationen eines absorbierenden Bestandteils oder ähnlichem nicht quantifiziert werden können.
Es gibt zahlreiche Entgegenhaltungen bezüglich des oben beschriebenen Verfahrens mit zeitaufgelöstem Gate; einige typische Beispiele davon sind im Folgenden aufgelistet. Es ist hier jedoch anzumerken, dass keine der Entgegenhaltungen Erörterungen oder Vorschläge bezüglich der Quantifizierung eines absorbierenden Bestandteils umfasst, wie sie in der vorliegenden Erfindung offenbart sind, darlegt.

1) A. J. Joblin, "Method of calculating the image resolution of a near-infrared time-of-flight tissue-imaging system," Appl. Opt. Vol. 35, Seiten 752–757 (1996).
2) J. C. Hebden, D. J. Hall, M. Firbank und D. T. Delpy, "Time-resolved optical imaging of a solid tissue-equivalent phantom," Appl. Opt. Vol. 34, Seiten 8038–8047 (1995).
3) G. Mitic, J. Kolzer, J. Otto, E. Plies, G. Solkner und W. Zinth, „Time-gated transillumination of biological tissues and tissue-like phantoms," Appl. Opt. Vol. 33, Seiten 6699–6710 (1994).
4) J. C. Hebden und D. T. Delpy, "Enhanced time-resolved imaging with a diffusion model of photon transport," Opt. Lett. Vol. 19, Seiten 311–313 (1994).
5) J. A. Moon, R. Mahon, M. D. Duncan und J. Reintjes, "Resolution limits for imaging through turbid media with diffuse light," Opt. Lett. Vol. 18, Seiten 1591–1593 (1993).

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Problem des „Unvermögens einer quantitativen Messung der internen Informationen eines absorbierenden Bestandteils oder ähnlichem," bei gleichzeitiger uneingeschränkter Verwendung des Vorteils der „Fähigkeit" des herkömmlichen Zeitgate-Verfahrens, das oben beschrieben worden ist, „die hohe räumliche Auflösung zu erzielen". Es ist eine besondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren (Grundbeziehung) zur Beschreibung des Verhaltens von Licht innerhalb von streuenden Medien unterschiedlicher Formen zu finden, ein Verfahren zur Anwendung dieser Grundbeziehung für das Verfahren mit zeitaufgelöstem Gate zu finden, und dadurch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Änderung oder eines Absolutwerts der Konzentration eines bestimmten absorbierenden Bestandteils innerhalb der streuenden Medien unterschiedlicher Formen bereitzustellen, indem die vorerwähnte Beziehung verwendet wird, wobei das Verfahren und die Vorrichtung nicht durch Konturen des streuenden Mediums beeinträchtigt sind und eine hohe räumliche Auflösung bereitstellen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messverfahren und eine Messvorrichtung für Absorptionsinformationen innerhalb des streuenden Mediums, zum Beispiel ein Messverfahren und eine Messvorrichtung für lebende Körper, ein Abbildungsverfahren und eine Abbildungsvorrichtung, ein Durchleuchtungsverfahren und eine Durchleuchtungsvorrichtung, ein tomographisches Bildanalyseverfahren und eine tomographische Bildanalysevorrichtung, oder ein mammographisches Verfahren und eine mammographische Vorrichtung, bereitzustellen, die in der Lage sind, die Messgenauigkeit hinsichtlich eines bestimmten absorbierenden Bestandteils in einem bestimmten Abschnitt deutlich zu verbessern, und eine zeitliche Veränderung oder eine räumliche Verteilung des Ergebnisses zu messen.
Ein erster Aspekt der Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt.
In diesem Fall kann das Verfahren des Weiteren einen siebten Schritt des Berechnens eines Änderungsgrades der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils, der zwischen einer Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte eintritt, basierend auf einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem Änderungsgrad des Absorptionskoeffizienten, der im sechsten Schritt erlangt wird, einem Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorbierenden Bestandteils, und dem Änderungsgrad der Konzentration des absorbierenden Bestandteils.
Ein zweiter Aspekt ist in Anspruch 3 dargelegt.
In diesem Fall kann der zweite Rechenabschnitt des Weiteren einen Änderungsgrad der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils, der zwischen einer Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte eintritt, basierend auf einer vorbestimmten Beziehung zwischen dem Änderungsgrad des Absorptionskoeffizienten, der im zweiten Rechenabschnitt erlangt wird, einem Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorbierenden Bestandteils, und dem Änderungsgrad der Konzentration des absorbierenden Bestandteils, berechnen.
Die vorliegende Erfindung ist aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen, die ausschließlich zur Veranschaulichung dienen, und in keiner Weise als Einschränkung der vorliegenden Erfindung ausgelegt werden dürfen, besser verständlich.
Des Weiteren wird der Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ersichtlich. Es versteht sich jedoch, dass die ausführliche Beschreibung und spezielle Beispiele zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erkennen lassen, jedoch ausschließlich der Veranschaulichung dienen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung, welche die Spur des Photons, das sich innerhalb des streuenden Mediums fortgepflanzt hat, abbildet.
2 sind Wellenformschaubilder zur Erklärung von Messsignalen (ausgeschnittenen Signalen) gemäß der vorliegenden Erfindung.
3A und 3B sind schematische Schaubilder, die jeweils eine Beziehung zwischen der Ausschnittzeit und dem Messabschnitt (einem Abschnitt innerhalb des streuenden Mediums) zeigen.
4A und 4B sind schematische Schaubilder, die jeweils die Beziehung zwischen dem Ausschnittzeitpunkt und dem Messabschnitt (einem Abschnitt innerhalb des streuenden Mediums) zeigen.
5 ist ein schematisches Schaubild, welches die Anordnung der Vorrichtung in der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist eine graphische Darstellung, welche die Absorptionspektren von Hämoglobin und Myoglobin zeigt.
7 ist ein schematisches Schaubild, welches ein weiteres Verfahren zur Erlangung des Messsignals zeigt.
8 sind Wellenformschaubilder, welche die Beziehung zwischen dem Ausgangslicht, dem Gatesignal und dem Messsignal für den Fall des in 7 gezeigten Verfahrens zeigen.
9A, 9B, 9C und 9D sind schematische Schaubilder, welche jeweils ein Lichteinfallsverfahren auf das streuende Medium zeigen.
10A, 10B und 10C sind schematische Schaubilder, welche jeweils ein Lichtaufnahmeverfahren zeigen.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Prinzip der vorliegenden Erfindung)
Zunächst wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben. Hierin wird zunächst das Problem bei der Photonenstreuungsnäherung, die normalerweise verwendet wird, abgeklärt, und danach das Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Im Allgemeinen wird das Verhalten des Photons innerhalb des streuenden Mediums durch die Photonenstreuungsgleichung basierend auf der Photonenstreuungstheorie analysiert. Das Verhalten von Licht innerhalb des streuenden Mediums wird nämlich durch die Photonenstreuungsgleichung angenähert, diese Gleichung wird gelöst, um eine Beziehung zwischen einer optischen Eigenschaft oder einer optischen Konstante des gemessenen Gegenstands und dem Ausgangslicht zu erlangen, und Absorptionsinformationen oder ähnliches können aus dieser Beziehung abgeleitet werden. Das Verfahren basierend auf der Photonenstreuungsgleichung weist jedoch das folgende Problem auf.
Insbesondere müssen zur Lösung der Photonenstreuungsgleichung Grenzbedingungen gesetzt werden. Da die Grenzbedingungen jedoch in Abhängigkeit der Form des streuenden Mediums stark variieren, muss die Photonenstreuungsgleichung gelöst werden, indem neue Grenzbedingungen für jede Formänderung des streuenden Mediums gesetzt werden, um exakte Messungen zu erzielen. Streuende Medien, für welche die Grenzbedingungen einigermaßen exakt gesetzt werden können, beschränken sich jedoch auf sehr einfache Formen, wie zum Beispiel einen unbegrenzten Raum, einen Halbraum, einen Kreiszylinder, der die unbegrenzte Länge aufweist, eine Platte, die sich unbegrenzt ausdehnt und eine begrenzte Dicke aufweist, und eine Kugel. Folglich ist die Verwendung von genäherten Grenzbedingungen bei Messungen von lebenden Geweben, die komplizierte Formen aufweisen, unabdingbar, was große Messfehler zur Folge hat. Dieses Problem wird zum Beispiel auch in der jüngsten Literatur erörtert: Albert Cerussi et al., "The Frequency Domain Multi-Distance Method in the Presence of Curved Boundaries," in Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, 1996, Technical Digest (Optical Society of America, Washington DC, 1996) Seiten 24–26. Fasst man das oben angesprochene Problem zusammen, „wurden bisher keine Messverfahren entwickelt, die systematisch auf streuende Medien unterschiedlicher Form angewandt werden können, und es ist für herkömmliche Technologien unmöglich, die Konzentration eines bestimmten absorbierenden Bestandteils innerhalb der streuenden Medien unterschiedlicher Form systematisch exakt zu messen."
Daher offenbart die folgende Erörterung zunächst eine Beziehung, die systematisch auf die streuenden Medien unterschiedlicher Form angewandt werden kann, und offenbart dann ein Verfahren zur Quantifizierung eines absorbierenden Bestandteils durch Anwendung dieser Beziehung auf das Verfahren mit zeitaufgelöstem Gate. Bei der Vorrichtung und beim Verfahren der vorliegenden Erfindung, mit denen interne Informationen des absorbierenden Bestandteils oder ähnlichem bei verbesserter räumlicher Auflösung quantifiziert werden können, kann die räumliche Auflösung gewählt werden, indem die Öffnungszeit und der entsprechende Zeitpunkt gesteuert werden.
Bei nichtinvasiven Messungen des Inneren eines streuenden Mediums wie lebenden Geweben trifft das Licht auf die Oberfläche des streuenden Mediums auf, das Licht, das sich innerhalb des streuenden Mediums fortgepflanzt hat, wird an einer anderen Stelle der Oberfläche aufgenommen, um ein Messsignal zu erlangen, und Informationen bezüglich der Konzentration oder ähnlichem des absorbierenden Bestandteils, der im Inneren enthalten ist, werden aus dem Messsignal entnommen. Bei dieser Gelegenheit werden Photonen durch streuende Bestandteile im Inneren des streuenden Mediums stark gestreut, und deren optische Wege sind in einem Zickzackmuster gekrümmt. 1 zeigt ein Beispiel der Spur eines Photons, wobei das Photon, das an der Stelle P auftrifft, an der Stelle Q aufgenommen wird. Eine zeitaufgelöste Wellenform (Impulsreaktion) des Ausgangslichts, das nach dem Auftreffen des Impulslichts auf das streuende Medium zum Bezugszeitpunkt t = 0 erlangt wird, besteht aus einer Mehrzahl von Photonen, die über verschiedene Zickzackwege geflogen sind, und die folglich unterschiedliche Flugstrecken (optische Weglängen) aufweisen. Jedes der Photonen, die das Ausgangslicht an einem beliebigen Zeitpunkt t umfasst, weist jedoch eine konstante Flugstrecke (optische Weglänge) l = ct auf, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Medium ist, und das Lambert-Beer'sche Gesetz für jedes Photon gilt. Die Überlebensrate jedes Photons ist nämlich gegeben durch exp(–cμ_at), wobei μ_a der Absorptionskoeffizient ist. Genauer gesagt werden, wenn ein Lichtimpuls, der aus mehreren Photonen besteht, an der Stelle P auftrifft, und an der Stelle Q aufgenommen wird, zum Zeitpunkt t viele Photonen, die verschiedene optische Wege zurückgelegt haben, erfasst, und die Menge des erfassten Lichts, das die Summe dieser Photonen darstellt, das heißt, die Überlebensrate, ist proportional zu exp(–cμ_at). In der obigen Erörterung wird die Lichtgeschwindigkeit c als konstant betrachtet, da der makroskopische Brechungsindex des lebenden Körpers ein konstanter Wert ist, der beinahe gleich dem Brechungsindex von Wasser ist. Der oben genannte Umstand wird hierin in der Folge als mikroskopisches Lambert-Beer'sches Gesetz bezeichnet.
Aus den oben genannten Umständen ergibt sich, dass die Impulsreaktion h(t) beim Auftreffen des Impulslichts auf das streuende Medium bei t = 0 eine Funktion des Streukoeffizient μ_s, des Absorptionskoeffizienten μ_a und der Zeit t wird, die wie folgt ausgedrückt ist. h(t) = s(μs, t)exp(–μact) (1.1) ln h(t) = ln s(μs, t)–μact (1.2)
Hierin ist s(μ_s, t) eine Reaktion, wenn der Absorptionskoeffizient μ_a = 0 ist (d.h., eine Reaktion, bei der nur Streuung vorhanden ist), und der Exponentialausdruck exp(–μ_act) ist ein Ausdruck, der die Dämpfung verursacht durch den Absorptionskoeffizienten μ_a angibt. Alle Funktionen sind zeitabhängige Funktionen, die auf Null gehen, wenn t < 0. Obwohl die obige Erörterung das Auftreffen von Impulslicht betrifft, ist offensichtlich, dass die obige Beziehung auch für das Auftreffen jedes anderen pulsierenden Lichts gilt, dessen Zeitbreite als ausreichend kürzer als die Zeitreaktion des Mediums angesehen werden kann. Demgemäß betrifft die folgende Erörterung das Auftreffen von pulsierendem Licht, dessen Zeitbreite als ausreichend kurz angesehen werden kann.
Hier ist anzumerken, dass die obigen Gleichungen keine Variablen betreffend die Grenzbedingungen umfassen. Das ist ein großer Unterschied zur Lösung der Photonenstreuungsgleichung, die Variablen betreffend die Grenzbedingungen umfasst. In den obigen Gleichungen zeigen sich die Grenzbedingungen durch die Funktion s(μ_s, t) in der Impulsreaktion h(t). Daher können die obigen Gleichungen weitgehend für streuende Medien, die verschiedene nicht wiedereintretende Oberflächenformen aufweisen, angewandt werden.
Zu diesem Zeitpunkt wird das Ausgangssignal J(μ_s, μ_a, t) folgendermaßen ausgedrückt. J(μs, μa, t) = b s(μs, t)exp(–μact) (2.1) ln J(μs, μa, t) = ln b + ln s(μs, t) – μact (2.2)
In diesem Fall ist b ein Koeffizient, der proportional zur Intensität des auftreffenden Lichts ist. Die Zeitintegration des Ausgangssignals J(μ_s, μ_a, t) gibt die Menge des gesamten Intergralausgangssignals I(μ_s, μ_a) an, die bei der CW-Spektroskopie einem gemessenen Wert entspricht. Dieses Integralausgangssignal I(μ_s, μ_a) ergibt sich wie folgt aus Gleichung (2.1).
Gehen wir nun davon aus, dass ein beliebiger Abschnitt t = [t₁, t₂] (t₁ < t₂) aus dem Ausgangssignal J(μ_s, μ_a, t) ausgeschnitten wird, wie in 2 gezeigt ist. Das Integralausgangssignal, das heißt, das Messsignal I_T(μ_s, μ_a) an diesem Zeitpunkt wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt.
Des Weiteren lässt sich das Folgende aus den Gleichungen (4.1) und (4.2) ableiten.
<t_T> ist dabei eine durchschnittliche Flugzeit der erfassten Photonen, und L_T(μ_s, μ_a) ist deren mittlere optische Weglänge. Dieser Gedanke wird durch die vorliegende Erfindung erstmalig offenbart. Das Folgende ergibt sich durch die Integration der Gleichung (5).
Dabei sind der zweite und der dritte Ausdruck auf der rechten Seite Integrationskonstanten, die erlangt werden, indem in Gleichung (4.1) μ_a = 0 gesetzt wird. Gleichung (6) umfasst keine Variablen betreffend die Grenzbedingungen, was jedoch das natürlich erwartete Ergebnis ist. Das ist ein großer Unterschied zur Lösung der Photonenstreuungsgleichung, die immer Variable betreffend die Grenzbedingungen umfasst. In der oben erwähnten Gleichung (6) zeigen sich die Grenzbedingungen im Messsignal IT(μs, μa) und der mittleren optischen Weglänge L_T(μ_s, μ_a). Daher kann Gleichung (6) weitgehend für die streuenden Medien, die verschiedene nicht wiedereintretende Oberflächenformen aufweisen, angewandt werden.
Daraus lässt sich das Folgende entnehmen, indem Spuren von Photonen, die das Messsignal, das durch Ausschneiden eines Abschnitts aus dem Ausgangssignal J(μ_s, μ_a, t) erlangt wird, umfasst, berücksichtigt werden. Wird nur der anfängliche Abschnitt aus dem Ausgangssignal J(μ_s, μ_a, t) ausgeschnitten, werden Photonen mit kurzen optischen Weglängen erfasst, wie zuvor beschrieben worden ist, und somit sind die erfassten Photonen jene, die sich im schmalen Abschnitt, der durch Volllinienschraffur (T₁) in 3A und 3B angezeigt ist, fortgepflanzt haben, was die räumliche Auslösung verbessert. 3A zeigt eine Anordnung einer Messung der Durchstrahlungsart, während 3B eine Anordnung einer Messung der Reflexionsart ist. Erhöht sich die Ausschnittszeit T = t₂ – t₁ (T₁ – T₂ – T₃), so werden Photonen, die sich in schrittweise wachsenden Bereichen fortgepflanzt haben, erfasst, wie durch die punktierte, schräge Schraffur (T₂) und die punktierte, senkrechte Schraffur (T₃) in 3A und 3B gezeigt ist, wodurch sich die Lichtmenge (oder Signalmenge), die zur Messung genutzt wird, erhöht, die räumliche Auflösung jedoch verringert.
Für den Fall, dass ein mittlerer Abschnitt aus dem Ausgangssignal J(μ_s, μ_a, t) ausgeschnitten wird, kann der gemessene Abschnitt verändert werden, wie in 4A und 4B (t₁ – t₂) gezeigt ist, da sich der Zeitpunkt des Ausschneidens nach hinten verschiebt. Die Messung dieser Art kann auch in Messungen zur Erlangung einer Differenz zwischen zwei Signalen, die durch verschiedene Zeitgates erlangt worden sind, ausgeführt werden. Es wird nämlich die Tatsache genutzt, dass das Ergebnis mehr Informationen über den Randabschnitt umfasst, wenn ein späterer Abschnitt aus dem Ausgangssignal J(μ_s, μ_a, t) ausgeschnitten wird. Daher kann bei der vorliegenden Erfindung die räumliche Auflösung und der informationserfassende Abschnitt durch die Steuerung der vorerwähnten Ausschnittszeit T = t₂ – t₁ und des Ausschnittszeitpunktes ausgewählt werden.
Es wird angemerkt, dass 3A, 3B, 4A und 4B Bereiche von Spuren gewöhnlicher Photonen zeigen, die einen bestimmten Anteil von Photonen bilden, den das erfasste Licht (Ausgangssignal) umfasst. Demgemäß umfassen die erfassten Photonen natürlich auch jene, die sich außerhalb der abgebildeten Bereiche fortgepflanzt haben.
Im Folgenden werden Verfahren zur Berechnung von Informationen betreffend die Absorption aus gemessenen Werten durch Verwendung der vorerwähnten Gleichung (6) beschrieben.
(Messung der Konzentrationsänderung des absorbierenden Bestandteils)
Gehen wir von einem Fall aus, bei dem das Medium eine Art von absorbierendem Bestandteil enthält, und sich die Konzentration desselben geändert hat, so dass sich der Absorptionskoeffizient μ_a von μ_a1 auf μ_a2 verändert hat. Bei gewöhnlichen lebenden Körpern und streuenden Medien kann angenommen werden, dass sich die Streueigenschaften bei einer Änderung der Konzentration des absorbierenden Bestandteils nicht verändern. Das ist so, wie wenn Tinte in Milch geschüttet wird. Wenn s(μ_s, t) oder der Streukoeffizient μ_s vor und nach der Änderung unverändert sind, ist die mittlere optische Weglänge L_T(μ_s, μ_a) gegeben durch eine Funktion des Absorptionskoeffizienten μ_a durch die Ausführung von Messungen bei fixierter Messstelle (die Einfallsstelle des pulsierenden Lichts und die Lichterfassungsstelle), und Gleichung (6) gilt für gemessene Werte vor und nach der Änderung. Demgemäß wird die folgende Gleichung durch Verwendung von μ_a1 und μ_a2 vor und nach der Änderung aus Gleichung (6) abgeleitet.
Dann erhält man durch Anwendung des Mittelwertsatzes die folgende Gleichung aus Gleichung (7).
μ_x ist jedoch ein geeigneter Wert, der μ_a1 ≤ μ_x ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x ≥ μ_a2 erfüllt. Die obige Gleichung zeigt, dass der Unterschied zwischen den Absorptionskoeffizienten vor und nach der Änderung, μ_a2 – μ_a1, aus den Werten des Messsignals I_T(μ_s, μ_a) vor und nach der Änderung berechnet werden kann, sobald man die mittlere optische Weglänge L_T(μ_s, μ_x) kennt.
In diesem Fall kann die mittlere optische Weglänge L_T(μ_s, μ_x) des Weiteren unter Verwendung des Koeffizienten α ausgedrückt werden, wie folgt. LT(μs, μx) = αLT(μs, μa1) + (1 – α)LT(μs, μa2) (9)
α ist jedoch ein geeigneter Wert, der 0 ≤ α ≤ 1 erfüllt. In diesem Fall ist L_T(μ_s, μ_x) eine monotone Funktion, und da deren Werte bei μ_a1 und bei μ_a2 normalerweise beinahe gleich sind, kann angenommen werden, dass α = 1/2. Die mittleren optischen Weglängen L_T(μ_s, μ_a1) und L_T(μ_s, μ_a2) der jeweiligen Fälle erhält man durch Berechnung des Baryzentrums der Wellenform des Messsignals (mittlere Zeitverzögerung), wie in der vorerwähnten Gleichung (5) angezeigt ist. Und zwar werden Werte nach der Gleichung in der zweiten Zeile der vorerwähnten Gleichung (5) berechnet. Da c hier die Lichtgeschwindigkeit im Medium ist, kann die Berechnung nach einem wohlbekannten oder irgendeinem anderen Verfahren erfolgen. Der Ausdruck s(μ_s, t)exp(–μ_act) = A, der im Zähler und im Nenner vorkommt, ist das Ausgangssignal J(μ_s, μ_a, t) in der vorerwähnten Gleichung (2.1) multipliziert mit 1/b. Dieser Koeffizient b kann aus der Integration genommen werden, und wird eliminiert, da sowohl der Zähler als auch der Nenner den Koeffizienten aufweisen. Dies bedeutet, dass die obige Berechnung dasselbe Resultat ergibt, indem entweder A oder der gemessene Wert J(μ_s, μ_a, t) von bA verwendet wird. Daher ist der Zähler eine Integration von tJ(μ_s, μ_a, t) und der Nenner eine Integration von J(μ_s, μ_a, t) über t, jeweils von t₁ bis t₂. Die Berechnung dieser beiden Ausdrücke und deren Verhältnis kann durch Verwendung eines Computers mit hoher Geschwindigkeit erfolgen. Des Weiteren kann die obige Berechnung des Baryzentrums nicht nur durch das Verfahren zur direkten Berechnung des Zählers und des Nenners in der zweiten Zeile von Gleichung (5) erfolgen, wie oben beschrieben ist, sondern auch durch eines von mehreren Verfahren, die gleichwertig dazu sind. In jedem Fall ergibt das Resultat dieser Berechung die durchschnittliche Flugzeit und wird multipliziert mit der vorerwähnten Geschwindigkeit c, um die mittlere optische Weglänge zu erlangen.
Zur Berechnung der Konzentrationsänderung ΔV eines absorbierenden Bestandteils wird die folgende Gleichung in Ableitung des Lambert-Beer'schen Gesetzes verwendet. ∊ΔV = μa2 – μa1 (10)
ε ist dabei ein Absorptionskoeffizient (oder Extinktionskoeffizient) pro Konzentrationseinheit des absorbierenden Bestandteils, die mit einem Spektrofotometer gemessen werden kann. Absorptionskoeffizienten (oder Extinktionskoeffizienten) vieler absorbierender Substanzen sind an verschiedenen in der Literatur veröffentlicht. Das Folgende ergibt sich somit aus den Gleichungen (8) bis (10).
Die obige Gleichung (11) zeigt das das Verfahren zur Messung der Konzentrationsänderung ΔV des absorbierenden Bestandteils im streuenden Medium klar und deutlich.
(Anwendung der Messung der Konzentrationsänderung des absorbierenden Bestandteils)
Das obige Verfahren kann für Messungen der zeitlichen Änderungen von Konzentrationen einer Mehrzahl absorbierender Bestandteile angewandt werden, indem pulsierendes Licht unterschiedlicher Wellenlängen verwendet wird, während die Messstelle unverändert bleibt. Des Weiteren kann das Verfahren auch für Messungen der zeitlichen Änderung der Konzentration von Hämoglobin in einem vorbestimmten Abschnitt angewandt werden, indem die Messungen an mehreren Stellen entlang eines Umfangs eines gemessenen Gegenstands wiederholt werden, und eine Tomogrammrekonstruktionsa rithmetik wie bei der Röntgencomputertomographie, der optischen Tomographie oder ähnlichem durchgeführt wird.
Es ist auch möglich, aus einem Bezugswert der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils in einem streuenden Medium eine Differenzverteilung zu messen, indem die Messungen ausgeführt werden, während die Messstelle (die Lichteinfallsstelle und die Lichterfassungsstelle) in Bezug auf den gemessenen Gegenstand, der so gehalten wird, dass seine Dicke konstant bleibt, geradlinig bewegt oder eingelesen wird, und indem ein an einer beliebigen Stelle gemessener Wert als Bezugswert benützt wird. Eine Messung dieser Art kann für Photomammographie zur Erstellung einer Brustkrebsdiagnose angewandt werden.
In den obigen Messungen gemäß der vorliegenden Erfindung wird die räumliche Auflösung durch Verkürzung der Öffnungszeit (Ausschnittszeit) verbessert. Es ist auch möglich, einen Bereich (oder einen Abschnitt), der gemessen werden soll, zu kontrollieren, indem die Zeitplanung des Gates veränderbar gemacht wird. Zusätzlich zur Photomammographie umfassen spezielle Anwendungsbeispiele einen Röntgenbildschirm, optische Computertomographie, einen Klinikmonitor, der in der Chirurgie oder Behandlung verwendet wird, und so weiter.
(Messung der Konzentration eines bestimmten absorbierenden Bestandteils)
Als nächstes wird eine Messung beschrieben, bei der zwei pulsierende Lichtstrahlen mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ verwendet werden, das heißt, die Zweiwellenlängen-Spektrophotometrie. Nehmen wir jetzt an, dass der Absorptionskoeffizient des streuenden Mediums, das einen absorbierenden Bestandteil enthält, bei der Wellenlänge λ₁ μ_a1 und bei der Wellenlänge λ₂ μ_a2 ist. Des Weiteren wird angenommen, dass die Streukoeffizienten μ_s1 und μ_s2 des Mediums bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ gleich oder beinahe gleich sind. Solche Bedingungen werden durch das Auswählen der Wellenlängen, die für die Messung verwendet werden, ohne weiteres verwirklicht. Demgemäß gelten unter der Annahme μ_s1 ≈ μ_s2 μ_s im Fall der Zweiwellenlängen-Spektroskopie an der fixierten Messstelle (Einfallsstelle für pulsierendes Licht und Lichterfassungsstelle) die folgenden Beziehungen. s(μs1, μa) = s(μs2, μa) ≡ s(μs, μa) (12.1) LT(μs1, μa) = LT(μs2, μa) ≡ LT(μs, μa) (12.2)
Dann ergibt sich das Folgende aus Gleichung (6).
Dann erhält man die folgende Gleichung auf dieselbe Weise wie im Fall der Gleichung (8).
μ_x ist jedoch ein geeigneter Wert, der μ_a1 ≤ μ_x ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x ≥ μ_a2 erfüllt. Wenn b₁/b₂ = 1, das heißt, wenn die auftreffenden Lichtintensitäten der pulsierenden Lichtstrahlen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen dieselben sind, wird diese Gleichung (14) gleich der vorerwähnten Gleichung (7). Der Koeffizient b₁/b₂ kann auf b₁/b₂ = 1 gesetzt werden, indem die Intensitäten der auftreffenden pulsierenden Lichtstrahlen angepasst werden. Des Weiteren ist auch möglich, den Wert von b₁/b₂ zu schätzen, indem die Intensitäten von Lichtquellen oder pulsierenden Lichtstrah len tatsächlich gemessen werden. Basierend auf obiger Erörterung kann die Differenz der Absorptionskoeffizienten, μ_a2 – μ_a1 aus den Werten der mittleren optischen Weglänge L_T(μ_s, μ_x) und b₁/b₂ und den Werten der Messsignale I_T(λ₁) und I_T(λ₂), die bei der Messung unter Verwendung der pulsierenden Lichtstrahlen mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ erlangt worden sind.
Die mittlere optische Weglänge L_T(μ_s, μ_x) kann unter Verwendung desselben Koeffizienten α ausgedrückt werden, wie folgt. LT(μs, μx) = αLT(μs, μa1) + (1 – α)LT(μs, μa2) (15)
α ist jedoch ein geeigneter Wert, der 0 ≤ α ≤ l erfüllt. Zieht man den Umstand in Betracht, dass L_T eine monotone Funktion ist, kann normalerweise auch in diesem Fall α = 1/2 angenommen werden. Jede der mittleren optischen Weglängen L_T(μ_s, μ_a1) und L_T(μ_s, μ_a2) erhält man durch Berechnung des Baryzentrums der Wellenform des Messsignals (mittlere Zeitverzögerung), wie in der vorerwähnten Gleichung (5) gezeigt.
Die Konzentration v des bestimmten absorbierenden Bestandteils wird aus der folgenden Gleichung berechnet, wobei die Absorptionskoeffizienten (oder Extinktionskoeffizienten) ε₁ und ε₂ pro Konzentrationseinheit des bestimmten absorbierenden Bestandteils bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ verwendet werden. v(∊2 – ∊1) = (μa2 – μa1 (16)
Hierbei können die Werte von ε₁ und ε₂ vorbereitend mit dem Spektrometer gemessen werden. Demgemäß erlangt man die folgende Gleichung.
Somit kann die absolute Konznetration v des absorbierenden Bestandteils auf dieselbe Weise gemessen werden, wie bei der zuvor beschriebenen Messung der Konzentrationsänderung des absorbierenden Bestandteils. In diesem Fall können die Konzentrationen von (n – 1) Arten von absorbierenden Bestandteilen gemessen werden, indem pulsierende Lichtstrahlen mit n Wellenlängen zweierlei oder mehr Arten verwendet werden.
(Zweipunkt-Zweiwellenlängen-Messung)
Wird die oben angegebene Zweiwellenlängen-Spektrophotometrie in zwei Erfassungsabständen (Abständen zwischen den Lichteinfalls- und den Lichterfassungsstellen) ausgeführt, kann der vorerwähnte Koeffizient b₁/b₂ eliminiert werden. Und zwar wird der Koeffizient b₁/b₂ eliminiert, indem keine Abhängigkeit des Koeffizienten b₁/b₂ von den Lichteinfalls- und Lichterfassungstellen benutzt wird. In diesem Fall ändert sich die vorerwähnte Gleichung (17) zu folgender Gleichung.
Hierbei sind I_T1(λ₁), I_T2(λ₂) und L_T1(μ_s, μ_x1), L_T2(μ_s, μ_x2) Messsignale und mittlere optische Weglängen, die beim Lichterfassungsabstand 1 beziehungsweise beim Lichterfassungsabstand 2 erlangt wurden. Des Weiteren ist μ_x1 ein geeigneter Wert, der μ_a1 ≤ μ_x1 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x1 ≥ μ_a2 erfüllt, und μ_x2 ist ein geeigneter Wert, der μ_a1 ≤ μ_x2 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x2 ≥ μ_a2 erfüllt, wobei jeder dieser Werte auf dieselbe Weise wie in Gleichung (15) erlangt werden kann.
Des Weiteren versteht sich, dass das oben angegebene Verfahren zu Mehrwellenlängen-Spektrophotometrie erweitert werden kann, indem Lichtstrahlen mit zwei oder mehr Wellenlängen verwendet werden.
(Messung der räumlichen Verteilung der Konzentration des absorbierenden Bestandteils)
Eine räumliche Verteilung der Konzentration des absorbierenden Bestandteils kann gemessen werden, indem die oben angegebene Messung an mehreren Stellen ausgeführt wird. In diesem Fall kann sich der Erfassungsabstand (der Abstand zwischen den Lichteinfalls- und den Lichterfassungstellen) an jeder Messstelle unterscheiden, da der gemessene Wert der Konzentration des absorbierenden Bestandteils unabhängig von anderen Werten gemessen wird. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann nämlich Konzentrationen des absorbierenden Bestandteils innerhalb der streuenden Medien, die verschiedene nicht wiedereintretende Konturen aufweisen, mit hoher räumlicher Auflösung messen. Bei dieser Gelegenheit wird die räumliche Auflösung durch die vorerwähnte Ausschnittszeit T = t₂ – t₁ und deren Zeitplanung gesteuert. Spezielle Anwendungsbeispiele umfassen Photomammography, Röntgenbildschirme, optische Computertomographie, und so weiter. Diese Anwendungen benutzen Verfahren der Lichtaufnahme an mehreren Stellen, Abtasten der Lichteinfallsstelle und der Lichterfassungsstelle, Zeitteilungsmessung, und so weiter. Die Bildrekonstruktionsarithmetik, die in der Computertomographie verwendet wird, wird ausgeführt, wenn Anlass dazu besteht. Das Merkmal dieser Messungen ist die Fähigkeit, die Konzentrationsverteilung eines bestimmten absorbierenden Bestandteils mit hoher räumlicher Auflösung quantitativ zu messen, wie oben beschrieben ist.
[AUSFÜHRUNGSFORMEN]
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch anzumerken, dass in der folgenden Beschreibung dieselben Elemente mit denselben Bezugssymbolen gekennzeichnet werden, und dass überflüssige Beschreibungen weggelassen werden.
Ausführungsform 1
5 zeigt die erste Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Ausführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, und bildet die Anordnung der Vorrichtung 1 zur Messung einer zeitlichen Änderung der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums 2 ab. Diese Anordnung der Vorrichtung 1 ist derart gestaltet, dass eine Konzentrationsänderung eines absorbierenden Bestandteils im streuenden Medium 2, das eine Art von absorbierendem Bestandteil enthält, gemessen wird, oder dass eine Konzentrationsänderung einer absorbierenden Substanz, die eine Mehrzahl von Bestandteilen umfasst, gemessen wird. In dieser Anordnung, wird bewirkt, dass pulsierendes Licht mit einer ausreichend schmalen Zeitbreite und der vorbestimmten Wellenlänge λ an der Stelle P (Lichteinfallsstelle) der Oberfläche des streuenden Mediums 2 auftrifft, und dass das Licht, das sich innerhalb des streuenden Mediums 2 fortgepflanzt hat, an einer anderen Stelle Q (Lichterfassungsstelle) der Oberfläche aufgenommen wird. Dann wird diese Messung wiederholt, um eine Änderung der Konzentration des absorbierenden Bestandteils in einem relativ schmalen Abschnitt innerhalb des streuenden Mediums 2 zu quantifizieren. In diesem Fall kann die Konzentrationsänderung dieses absorbierenden Bestandteils quantifiziert werden, indem eine Konzentration des absorbierenden Bestandteils, die bei der ersten Messung erlangt worden ist, als Bezugswert benützt wird. Die Messvorrichtung 1 ist als Ganzes in einem Gehäuse untergebracht.
Die Lichtquelle 10 ist eine Laserdiode oder ähnliches, und erzeugt das pulsierende Licht mit der Wellenlänge λ. In diesem Fall wird die Wellenlänge in Abhängigkeit des streuenden Mediums 2 oder des absorbierenden Bestandteils, der gemessen werden soll, ausgewählt. Bei Messungen in lebenden Körpern werden häufig mit Sauerstoff angereichertes und reduziertes Hämoglobin und mit Sauerstoff angereichertes und reduziertes Myoglobin gemessen, und Absorptionsspektren dieser absorbierenden Bestandteile sind in 6 gezeigt. Daher wird für die Messung lebender Körper normalerweise Licht mit 600 nm bis 1,3 μm verwendet. Die Pulsbreite beträgt normalerweise ungefähr 20 ps bis 200 ps. Alternativ zur Laserdiode kann die Lichtquelle auch eine Leuchtdiode, ein Pulslaser oder ähnliches sein.
Es wird bewirkt, dass das pulsierende Licht, das von der Lichtquelle 10 ausgestrahlt wird, durch den Lichtleiter 12 auf die Oberfläche des streuenden Mediums 2, das ein gemessener Gegenstand ist, auftrifft. Der Raum zwischen dem Lichtleiter 12 und dem streuenden Medium 2 ist in der Ausführungsform von 5 sehr klein. In der Praxis kann dieser Raum jedoch erweitert und mit einer flüssigen Substanz oder einer gallertartigen Substanz (hierin im Folgenden als ein Zwischenschichtmaterial bezeichnet), die einen Brechungsindex und einen Streukoeffizienten, die beinahe gleich jenen des streuenden Mediums 2 sind, aufweist, ausgefüllt werden. In der Folge tritt kein Problem auf, da sich das Licht in diesem Zwischenschichtmaterial fortpflanzt, um in den gemessenen Gegenstand einzudringen. Falls die Reflexion an der Oberfläche des streuenden Mediums 2 problematisch ist, kann der Einfluss der Oberflächenreflexion oder ähnlichen Phänomenen durch Auswahl eines geeigneten Zwischenschichtmaterials verringert werden.
Das Licht, das sich innerhalb des streuenden Mediums 2 fortgepflanzt hat, wird durch den Lichtleiter 13, der an der Stelle Q (Lichterfassungsstelle), die eine Strecke r von der vorerwähnten Lichteinfallsstelle P entfernt ist, angeordnet ist. Das Zwischenschichtmaterial kann hierbei aus denselben Gründen wie oben verwendet werden. Der Strahlungsempfänger 14 wandelt das Lichtsignal in ein elektrisches Signal um, verstärkt es falls erforderlich, und gibt es aus. Der Strahlungsempfänger 14 kann sowohl eine Fotoröhre, eine Fotodiode, eine Lawinenfotodiode, eine PIN-Fotodiode, eine Schmierbildkamera, ein Streak-Scope, ein Fotooszilloskop, und so weiter, als auch ein Fotoelektronenvervielfacher sein. Bei der Auswahl des Strahlungsempfängers 14 wird erwartet, Spektralempfindlichkeitseigenschaften zur Erfassung des Lichts der vorbestimmten Wellenlängen sowie die notwendige zeitliche Reaktionsgeschwindigkeit zu erlangen. Für schwache Lichtsignale wird ein hochverstärkender Strahlungsempfänger verwendet. Des Weiteren kann das Zeitkorrelationsphotonenzählverfahren zur Zählung der Photonen angewandt werden. Alle Stellen außer der Lichtaufnahmefläche des Strahlungsempfängers weisen wünschenswerterweise einen lichtabsorbierenden oder lichtabfangenden Aufbau auf.
Der Signalerfassungsabschnitt 15 schneidet einen vorbestimmten Zeitbereich aus dem Erfassungssignal aus, um ein Messsignal auszugeben. Im Besonderen wird eine wohlbekannte Torschaltung verwendet. Bei dieser Gelegenheit wird im Signalverarbeitungsabschnitt 11 ein Torsignal zum Ausschneiden des vorbestimmten Zeitbereichs erzeugt. Falls erforderlich, benützt der Signalverarbeitungsabschnitt 11 in diesem Fall ein Signal, das an das pulsierende Licht, welches durch die Lichtquelle 10 erzeugt wird, angepasst ist. Die Zeitauflösung kann kontrolliert werden, indem die Zeitbreite (Öffnungszeit) des Torsignals veränderbar gemacht wird. Es ist auch möglich, einen Abschnitt, der gemessen werden soll, auszuwählen, indem die Zeitfolge des Torsignals geändert wird. Wird zum Beispiel durch ein schmales Gate ein vorderer (früher) Abschnitt des Erfas sungssignals extrahiert, so wird das Licht, das sich durch einen schmalen Abschnitt 2a innerhalb des streuenden Mediums fortgepflanzt hat, gemessen, während das Licht, das sich durch einen Abschnitt 2b, der breiter ist als der Abschnitt 2a, fortgepflanzt hat, bei zunehmender Öffnungszeit gemessen wird. Des Weiteren ist es auch möglich, die Steuerungen einzusetzen, um die Zeiten vorzugeben, wie in den obigen 3A und 3B sowie 4A und 4B gezeigt ist.
Die obige Gewinnung eines Messsignals kann auch durch ein anderes Verfahren erfolgen, zum Beispiel durch direkte Torsteuerung durch den Strahlungsempfänger, wie in 7 und 8 gezeigt ist. Im Fall der Verwendung eines Fotoelektronenvervielfachers kann der Gatevorgang zum Beispiel erfolgen, indem eine gepulste Spannung an die Fotokathode, an die erste oder eine andere Dynode, oder an die Kathode angelegt wird. Bei einer Lawinenfotodiode ist es auch möglich, den Gatevorgang durch Anlegen der gepulsten Spannung an diese auszulösen. Die Schmierbildkamera weist ebenfalls eine Zeitgatefunktion auf. In diesen Fällen kann eine Vorrichtung die lichtelektrische Umwandlung und den Gatevorgang ausführen.
Der erste Rechenabschnitt 16 berechnet den Zeitintegrationswert I_T und die mittlere optische Weglänge L_T (gemäß dem Baryzentrum der Wellenform (mittlere Verzögerungszeit)) aus dem Messsignal. Bei dieser Gelegenheit wird die mittlere optische Weglänge L_T gemäß der vorerwähnten Gleichung (5) berechnet. Danach wird die obige Messung zu verschiedenen Zeiten wiederholt ausgeführt. In der folgenden Erörterung betrachten wir die m-te und die (m + 1)-te Messung.
Der zweite Rechenabschnitt 17 setzt die beiden Arten der vorerwähnten Zeitintegrationswerte I_T,m und I_T,m+1, die bei der m-ten und der (m + 1)-ten Messung erlangt worden sind, und die mittlere optische Weglänge L_T(μ_s, μ_x), die durch Verwendung der Gleichung (9) aus den beiden Arten der vorerwähnten mittleren optischen Weglängen L_T,m und L_T,m+1 erlangt worden sind, in die vorerwähnte Gleichung (8) ein, um einen Änderungsgrad zwischen den Absorptionskoeffizienten des Abschnitts des streuenden Mediums 2, μ_a(m+1) – μ_am (primäre Information) zu berechnen, und berechnet des Weiteren einen Änderungsgrad des absorbierenden Bestandteils (sekundäre Information) durch Anwendung der vorerwähnten Gleichung (11). Zu diesem Zeitpunkt ist mit α = 1/2 in der vorerwähnten Gleichung (8) eine ausreichende Exaktheit zur Berechnung der mittleren optischen Weglänge L_T(μ_s, μ_x) sichergestellt. Diese arithmetischen Vorgänge werden mit hoher Geschwindigkeit durch Mikrocomputer oder ähnliches ausgeführt, der in den ersten und den zweiten Rechenabschnitt integriert ist.
Der Anzeige-/Aufzeichnungsabschnitt 18 dient dazu, die Konzentrationsinformationen des absorbierenden Bestandteils, die laut obiger Beschreibung erlangt worden sind, zu speichern, und zeigt diese an oder zeichnet sie auf.
Die obige Beschreibung betrifft die Verwendung des pulsierenden Lichts einer Wellenlänge, während in der Praxis jedoch auch pulsierendes Licht mit zwei oder mehr Wellenlängen verwendet werden kann. Des Weiteren ist es auch möglich, zu bewirken, dass das pulsierende Licht auf eine Lichteinfallsstelle auftrifft, und dann das Licht, das sich ausbreitet, an zwei oder mehr Lichterfassungsstellen zu erfassen. Diese Ergebnisse können parallel oder zu getrennten Zeiten erfasst werden.
Anstelle des Lichtleiters 12, der in 5 gezeigt ist, können auch verschiedene andere Mittel, mit denen bewirkt wird, dass das Licht auf das streuende Medium 2 auftrifft, gewählt werden, darunter zum Beispiel ein Verfahren mit einer Kondensorlinse (9A), ein Verfahren, bei dem eine Lichtleitfaser verwendet wird, (9B), ein Verfahren, bei dem eine Lochblende benützt wird, (9C), ein Ver fahren, bei dem bewirkt wird, dass das Licht aus dem Inneren eines Körpers auftrifft, wie zum Beispiel bei einer Magenkamera, (9D), und so weiter. Es kann bewirkt werden, dass ein dicker Lichtstrahl auf das streuende Medium auftrifft. Dieser Fall kann als eine Anordnung einer Gruppe von mehreren Punktlichtquellen angesehen werden.
Zusätzlich zum Verfahren, bei dem der Lichtleiter 13, der in 5 gezeigt ist, verwendet wird, kann als Mittel, mit dem das Licht, das sich gestreut innerhalb des streuenden Mediums 2 fortgepflanzt hat, erfasst wird, auch entweder ein Verfahren zur direkten Erfassung (10A), oder ein Verfahren, bei dem eine Lichtleitfaser verwendet wird, (10B), ein Verfahren bei dem eine Linse verwendet wird, (10C), und so weiter verwendet werden.
Wie oben beschrieben, können die Absorptionsinformationsmessverfahren und -Vorrichtungen für streuende Medien gemäß der vorliegenden Erfindung die Konzentrationsänderung oder die absolute Konzentration eines bestimmten absorbierenden Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums von beliebiger Form, das nicht wiedereintretende Oberflächen umfasst, mit hoher räumlicher Auflösung messen. Demgemäß kann die vorliegende Erfindung die Messgenauigkeit in Bezug auf den bestimmten absorbierenden Bestandteil in einem bestimmten Abschnitt deutlich verbessern, und kann des Weiteren Messverfahren und -Vorrichtungen für Absorptionsinformationen innerhalb des streuenden Mediums, zum Beispiel das Messverfahren und die Messvorrichtung für lebende Körper, das Abbildungsverfahren und die Abbildungsvorrichtung, das Durchleuchtungsverfahren und die Durchleuchtungsvorrichtung, das tomographische Bildanalyseverfahren und die tomographische Bildanalysevorrichtung, oder das mammographische Verfahren und die mammographische Vorrichtung, die imstande sind, die zeitliche Änderung oder die räumliche Verteilung ohne Beeinträchtigung durch die Konturen des streuenden Mediums und mit hoher räumlicher Auflösung zu messen, bereitstellen.
Aus der obigen Beschreibung der Erfindung ist offensichtlich, dass die Erfindung in vielfältiger Weise abgeändert werden kann.

Claims

Verfahren zur Messung der Absorptionsinformationen eines gemessenen Gegenstandes, der ein streuendes Medium umfasst, das Verfahren umfassend: einen ersten Schritt, in dem pulsierendes Licht einer vorbestimmten Wellenlänge erzeugt wird; einen zweiten Schritt, in dem bewirkt wird, dass das pulsierende Licht in Form eines Punktes auf eine Lichteinfallsstelle einer Oberfläche des streuenden Mediums auftrifft; einen dritten Schritt, in dem das Licht, das sich innerhalb des gemessenen Gegenstandes fortgepflanzt hat, an einer Lichterfassungsstelle an der Oberfläche des streuenden Mediums aufgenommen wird; einen vierten Schritt, in dem ein Teil eines Lichtsignals, das im dritten Schritt erlangt worden ist, extrahiert wird, um ein Messsignal zu gewinnen, das dem derart extrahierten Signalabschnitt entspricht und; einen fünften Schritt, in dem die Schritte eins bis vier an jedem einer Mehrzahl verschiedener bestimmter Zeitpunkte wiederholt ausgeführt werden; gekennzeichnet durch das Ableiten eines Zeitintegrationswertes IT und einer mittleren optischen Weglänge L_T für jedes einer Mehrzahl der Messsignale, die an der Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte gewonnen worden sind, wobei die durchschnittliche optische Weglänge mit der folgenden Gleichung ermittelt wird:
wobei μ_s = Streukoeffizient, μ_a = Absorptionskoeffizient, c = Lichtgeschwindigkeit im Medium, s(μ_s, t) = Impulsreaktion, wenn der Absorptionskoeffizient μ_a = 0, und <t_t> = durchschnittliche Flugzeit erfasster Lichtteilchen; und einen sechsten Schritt, in dem ein Änderungsgrad, der zwischen der Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte eintritt, eines Absorptionskoeffizienten basierend auf der folgenden Beziehung zwischen der Mehrzahl von Zeitintegrationswerten, der Mehrzahl durchschnittlicher optischer Weglängen und dem Änderungsgrad der Absorptionskoeffizienten berechnet wird:
der sechste Schritt des Weiteren umfassend das Be rechnen eines Änderungsgrades der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils, der zwischen der Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte eintritt, basierend auf der folgenden Beziehung zwischen der Mehrzahl bestimmter Zeitintegrationswerte, der Mehrzahl durchschnittlicher optischer Weglängen, einem Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorbierenden Bestandteils, und dem Änderungsgrad der Konzentration des absorbierenden Bestandteils:
wobei μ_a2, μ_a2 = erster und zweiter Absorptionskoeffizient, μ_a1 ≤ μ_x ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x ≥ μ_a2 ε = Absorptionskoeffizient pro Konzentrationseinheit des absorbierenden Bestandteils, und ΔV = Konzentrationsänderung des absorbierenden Bestandteils.
Verfahren nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen siebten Schritt, in dem ein Änderungsgrad der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils, der zwischen der Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte eintritt, basierend auf der folgenden Beziehung zwischen dem Änderungsgrad des Absorptionskoeffizienten, der im sechsten Schritt erlangt worden ist, dem Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorbierenden Bestandteils ε, und dem Änderungsgrad der Konzentration des absorbierenden Bestandteils ΔV be rechnet wird: εΔV = μa2 – μa1
Vorrichtung zur Messung der Absorptionsinformationen eines gemessenen Gegenstandes, der ein streuendes Medium umfasst, die Vorrichtung aufweisend: eine Lichtquelle (10) zum Erzeugen pulsierenden Lichts einer vorbestimmten Wellenlänge; einen Lichteinfallsabschnitt (12), um zu bewirken, dass das pulsierende Licht in Form eines Punktes auf eine Lichteinfallsstelle (P) einer Oberfläche des streuenden Mediums auftrifft; einen Lichtaufnahmeabschnitt (13, 14) zum Aufnehmen des Lichts, das sich innerhalb des gemessenen Gegenstandes fortgepflanzt hat, an einer Lichterfassungsstelle (Q) an der Oberfläche des streuenden Mediums; einen Signalerfassungsabschnitt (15) zum vorübergehenden Extrahieren eines Teiles eines Lichtsignals, das im Lichtaufnahmeabschnitt erlangt worden ist, um ein Messsignal zu gewinnen, das dem derart ausgeschnittenen Signalabschnitt entspricht; und einen ersten Rechenabschnitt (16) zum Durchführen einer Messung zur Gewinnung des Messsignals an jedem einer Mehrzahl verschiedener bestimmter Zeitpunkte, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Rechenabschnitt dazu dient, einen Zeitintegrationswertes I_T und eine durchschnittliche optische Weglänge L_T für jedes einer Mehrzahl der Messsignale, die an der Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte gewonnen worden sind, abzuleiten, wobei die durchschnittliche optische Weglänge mit der folgenden Gleichung ermittelt wird:
wobei μ_s = Streukoeffizient, μ_a = Absorptionskoeffizient, c = Lichtgeschwindigkeit im Medium, s(μ_s, t) = Impulsreaktion, wenn der Absorptionskoeffizient μ_a = 0, und <t_t> = durchschnittliche Flugzeit erfasster Lichtteilchen; und gekennzeichnet durch einen zweiten Rechenabschnitt (17) zum Berechnen eines Änderungsgrades eines Absorptionskoeffizienten, der zwischen der Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte eintritt, basierend auf der folgenden Beziehung zwischen der Mehrzahl von Zeitintegrationswerten, der Mehrzahl durchschnittlicher optischer Weglängen, und dem Änderungsgrad der Absorptionskoeffizienten:
wobei der zweite Rechenabschnitt (17) des Weiteren dafür geeignet ist, einen Änderungsgrad der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils, der zwischen der Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte eintritt, basierend auf der folgenden Beziehung zwischen der Mehrzahl bestimmter Zeitintegrationswerte, der Mehrzahl durchschnittlicher optischer Weglängen, einem Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorbierenden Bestandteils und dem Änderungsgrad der Konzentration des absorbierenden Bestandteils zu berechnen:
wobei μ_a2, μ_a2 = erster und zweiter Absorptionskoeffizient, μ_a1 ≤ μ_x ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x ≥ μ_a2 ε = Absorptionskoeffizient pro Einheitskonzentration des absorbierenden Bestandteils, und ΔV = Konzentrationsänderung des absorbierenden Bestandteils.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der zweite Rechenabschnitt (17) des Weiteren einen Änderungsgrad der Konzentration eines absorbierenden Bestandteils, der zwischen der Mehrzahl bestimmter Zeitpunkte eintritt, basierend auf der folgenden Beziehung zwischen dem Änderungsgrad des Absorptionskoeffizienten, der im zweiten Rechenabschnitt (17) gewonnen worden ist, des Absorptionskoeffizienten pro Konzentrationseinheit des absorbierenden Bestandteils ε, und dem Änderungsgrad der Konzentration des absorbierenden Bestandteils ΔV berechnet: