DE69918968T2

DE69918968T2 - Verfahren und vorrichtung zur messung der konzentration einer absorbierenden komponente eines streuenden/absorbierenden körpers

Info

Publication number: DE69918968T2
Application number: DE69918968T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Hamamatsu-shi Tsuchiya; Tsuneyuki Hamamatsu-shi Urakami
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2019-04-02
Also published as: JP4018799B2; US6567165B1; EP1069426A1; JPH11287755A; DE69918968D1; EP1069426A4; WO1999051967A1; AU2961299A; EP1069426B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konzentrationsmessverfahren und eine derartige Vorrichtung für eine Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Konzentrationsmessverfahren und eine derartige Vorrichtung für eine Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium, wobei wenigstens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen, deren Streuungskoeffizienten verschieden sind und ein bekanntes Verhältnis haben, auf ein Streuungsmedium, wie lebende Körper unterschiedlicher Formen, gestrahlt werden, Licht, das eine vorbestimmte Wellenlänge hat und im Inneren des Streuungsmediums diffundiert und sich darin fortpflanzt und an die Oberfläche gelangt, erfasst wird, um die Lichtstärke und mittlere Flugpfadlänge (mittlere optische Pfadlänge) an der Erfassungsposition zu erhalten, und auf der Basis der Lichtstärke und mittleren Flugpfadlänge ein relativer Wert oder ein absoluter Wert der Konzentration einer spezifischen Absorptionskomponente in dem Streuungsmedium, die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin und eine Änderung im Laufe der Zeit oder eine räumliche Verteilung davon äußerst genau und nicht invasiv gemessen werden können, ohne durch die Form des Streuungsmediums beeinflusst zu werden.
Stand der Technik
Es gibt einen starken Bedarf an einer äußerst genauen und nicht invasiven Messung eines relativen Wertes und eines absoluten Wertes der Konzentration einer spezifischen Absorptionskomponente in dem Streuungsmedium, wie einem lebenden Körper, und einer Änderung im Laufe der Zeit wie auch einer räumlichen Verteilung derselben. Bisher wurden verschiedene Verfahren oder Untersuchungen verwendet, einschließlich eines Verfahrens unter Verwendung von Gleichlicht (CW-Licht) oder moduliertem Licht (z.B., Impulslicht, Licht mit rechteckiger Wellenform, oder sinuswellenmoduliertem Licht) und eines Verfahrens unter Verwendung von Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen.
Für diese herkömmlichen Techniken wurde bisher kein Verfahren und keine Vorrichtung für eine ausreichend genaue Messung der Konzentration einer spezifischen Absorptionskomponente in einem Objekt, wie lebenden Körpern, deren Regionen verschiedene Formen haben oder die Formen selbst in identischen Regionen individuelle Unterschiede aufweisen, entwickelt. Dies bereitet ein ernsthaftes Problem bei der nicht invasiven Messung eines lebenden Körpers unter Verwendung von Licht, und es ist ein starker Wunsch nach einer Verbesserung entstanden.
Licht, das auf ein Streuungsmedium, wie einen lebenden Körper, fällt, diffundiert und pflanzt sich im Inneren des Streuungsmediums fort, während es gestreut und absorbiert wird, und gelangt teilweise an die Oberfläche. Da das Streuungsmedium normalerweise von Luft umgeben ist, dissipiert das Licht, das an die Oberfläche gelangt, durch den freien Raum.
Bei der Messung interner Informationen eines Streuungsmediums wird Licht gemessen, das auf die oben genannte Weise an die Oberfläche gelangt ist. Wenn sich in diesem Fall die Grenzbedingung (Form) des Streuungsmediums ändert, z.B. abhängig davon, ob das Streuungsmedium eine sphärische Form oder eine rechteckige parallelflache Form hat, ändert sich die Stärke und das Verhalten von Licht deutlich, das zu einer vorbestimmten Position der Oberfläche kommt.
Zur Erhöhung der Genauigkeit einer solchen Messung muss daher die Kenntnis über das Verhalten von Licht im Streuungsmedium gut sein. Wie seit kurzem bekannt ist, kann das Verhalten von Licht in einem Streuungsmedium durch Analyse, Experimente und Untersuchungen einer Monte Carlo-Simulation unter Verwendung eines Computers oder mittels Photonendiffusionstheorie relativ genau beschrieben und analysiert werden.
Wie zuvor beschrieben, wird für gewöhnlich die Monte Carlo-Simulation oder Photonendiffusionstheorie verwendet, um das Verhalten von Licht in einem Streuungsmedium zu verstehen. Die Monte Carlo-Simulation benötigt jedoch sehr viel Zeit zur Berechnung und kann die Konzentration einer spezifischen Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium nicht aus dem Ergebnis der Simulation berechnen.
Zur Verwendung der Photonendiffusionstheorie muss eine Grenzbedingung eingestellt werden, um eine Photonendiffusionsgleichung tatsächlich zu lösen. Die Grenzbedingung hängt jedoch weitgehend von der Form eines Streuungsmediums ab. Aus diesem Grund muss zur genauen Messung bei jeder Änderung der Form des Streuungsmediums eine neue Grenzbedingung eingestellt werden, um eine Photonendiffusionsgleichung zu lösen. Zusätzlich kann eine relativ exakte Grenzbedingung nur für ein Streuungsmedium mit einer sehr einfachen Form eingestellt werden, wie einen infiniten Raum, einen semi-infiniten Raum, einen infiniten kreisförmigen Zylinder, oder eine sich infinit ausbreitende Scheibe begrenzter Dicke. Zur Messung eines lebenden Körpers mit einer komplexen Form unter Verwendung der Photonendiffusionstheorie ist es infolgedessen unerlässlich, eine Näherungsgrenzbedingung zu verwenden, die zu einem großen Messfehler führt.
Als Lösung für diese Probleme haben die gegenwärtigen Erfinder bereits eine Patentanmeldung (Japanische Patentanmeldung, Auslegeschrift Nr. Hei 8-94517) für ein Verfahren zum Messen des Absorptionskoeffizienten eines Streuungsmaterials und der Konzentration eines Absorptionsmittels auf der Basis des Micro-Beer-Lambert-Gesetzes entwickelt und eingereicht.
Offenbarung der Erfindung
Das Verfahren in der Japanischen Patentanmeldung, Auslegeschrift Nr. Hei 8-94517 ist ausgezeichnet, da es einen Absorptionskoeffizienten quantitativ unabhängig von der Grenzbedingung (Form) eines Messobjekts messen kann. Dieses Verfahren verwendet jedoch eine Vielzahl von Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen, deren Streuungseigenschaften für ein zu messendes Streuungsmedium gleich sind oder als gleich angesehen werden können. Somit ist das in der Japanischen Patentanmeldung, Auslegeschrift Nr. Hei 8-94517 offenbarte Verfahren nicht zufriedenstellend, weil nur eingeschränkte Wellenlängen verwenden können, und da der Unterschied in den Streuungseigenschaften zwischen der Vielzahl von Wellenlängen der Lichtkomponenten in Verwendung zunimmt, erhöht sich der Messfehler, oder wenn der Unterschied noch größer wird, wird eine Messung unmöglich.
Wie zuvor beschrieben, wurde bisher noch kein Verfahren zur Handhabung diffundierten Lichts entwickelt, das bei einem Streuungsmedium, das von einer Wellenlänge abhängige Streuungseigenschaften eine unterschiedliche Grenzbedingung hat, systematisch angewendet werden kann, ohne Einschränkung der verwendbaren Wellenlängen. Aus diesem Grund ist es für gewöhnlich unmöglich, die Konzentration einer internen spezifischen Absorptionskomponente in einem solchen Streuungsmedium systematisch genau zu messen, ohne eine zu verwendende Wellenlänge zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die oben genannten Probleme nach dem Stand der Technik zu lösen, und hat zur Aufgabe, ein Konzentrationsmessverfahren und eine Vorrichtung für eine Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium bereitzustellen, wobei das grundlegende Verhältnis, das dem Verhalten von Licht in einem Streuungsmedium, das von einer Wellenlänge abhängige Streuungseigenschaften und eine unterschiedliche Grenzbedingung hat zugeordnet ist, neu offenbart wird, selbst wenn die Streuungseigenschaften von der Wellenlänge abhängig sind, wobei ein relativer Wert oder ein absoluter Wert einer Konzentration einer spezifischen Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium mit verschiedenen Formen unter Verwendung dieses Verhältnisses genau gemessen werden können, ohne Einschränkung hinsichtlich der zu verwendenden Wellenlänge und ohne Einfluss der Wellenlängenabhängigkeit solcher Streuungseigenschaften, und eine Veränderung im Laufe der Zeit oder eine räumliche Verteilung derselben ebenso genau gemessen werden kann, ohne Einfluss der Wellenlängenabhängigkeit der Streuungseigenschaften.
In der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei Lichtstrahlen mit vorbestimmten Wellenlängen und einem bekannten Verhältnis von Transportstreuungskoeffizienten auf ein Streuungsmedium mit unterschiedlichen Grenzbedingungen (Formen) gestrahlt, eine Lichtstärke und eine mittlere Flugpfadlänge jedes Lichtstrahls mit der vorbestimmten Wellenlänge an der Lichtdetektionsposition werden erhalten, und auf der Basis dieser Werte wird ein relativer Wert oder ein absoluter Wert einer Konzentration einer spezifischen Absorptionskomponente durch arithmetische Verarbeitung ermittelt, ohne Einfluss der Grenzbedingung des Streuungsmediums oder der Wellenlängenabhängigkeit der Streuungseigenschaften.
Insbesondere umfasst ein Konzentrationsmessverfahren für eine Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung:

(a) einen Lichterzeugungsschritt zum Erzeugen von mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen (Lichtstrahlen mit Wellenlängen zweier Arten oder mehr), wobei die Lichtstrahlen unterschiedliche Transportstreuungskoeffizienten für ein Streuungsmedium als zu messendes Objekt und ein bekanntes Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten haben,
(b) einen Lichteinfallsschritt, der die Lichtstrahlen von einer Lichteinfallsposition in das Streuungsmedium einfallen lässt,
(c) einen Fotodetektionsschritt zum Erfassen des Lichtstrahls, der sich im Inneren des Streuungsmediums fortgepflanzt hat, an mindestens einer Fotodetektionsposition, die sich von der Lichteinfallsposition unterscheidet, um wenigstens ein Fotodetektionssignal zu erhalten,
(d) einen Parameterdetektionsschritt, um auf der Basis des Fotodetektionssignals eine Lichtstärke und eine mittlere Flugpfadlänge an der Lichtdetektionsposition für jeden der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen zu erfassen, und
(e) einen arithmetischen Verarbeitungsschritt zum Berechnen einer Konzentration einer Absorptionskomponente auf der Basis eines vorbestimmten Verhältnisses zwischen dem Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten, der Lichtstärke, der mittleren Flugpfadlänge und einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente für die mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen.

Eine Konzentrationsmessvorrichtung für eine Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst:

(a) eine Lichtquelle zum Erzeugen von mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen (Lichtstrahlen mit Wellenlängen zweier Arten oder mehr), wobei die Lichtstrahlen unterschiedliche Transportstreuungskoeffizienten für ein Streuungsmedium als zu messendes Objekt und ein bekanntes Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten haben,
(b) Lichteinfallsmittel, die die Lichtstrahlen von einer Lichteinfallsposition in das Streuungsmedium einfallen lassen,
(c) Fotodetektionsmittel zum Erfassen des Lichtstrahls, der sich im Inneren des Streuungsmediums fortgepflanzt hat, an mindestens einer Fotodetektionsposition, die sich von der Lichteinfallsposition unterscheidet, um wenigstens ein Fotodetektionssignal zu erhalten,
(d) Parameterdetektionsmittel, um auf der Basis des Fotodetektionssignals eine Lichtstärke und eine mittlere Flugpfadlänge an der Lichtdetektionsposition für jeden der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen zu erfassen, und
(e) arithmetische Verarbeitungsmittel zum Berechnen einer Konzentration einer Absorptionskomponente auf der Basis eines vorbestimmten Verhältnisses zwischen dem Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten, der Lichtstärke, der mittleren Flugpfadlänge und einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente für die mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen.

In dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann jeder der zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein Impulslichtstrahl sein.
Jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen kann ein sinuswellenmodulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente sein, die Lichtstärke kann (i) aus einer Gleichstromkomponente des Fotodetektionssignals oder (ii) aus einer Amplitude eines Signals mit der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente berechnet werden, das in dem Fotodetektionssignal enthalten ist, und die mittlere Flugpfadlänge kann aus einer Phasenverzögerung des Signals mit der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente berechnet werden.
Jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen kann ein modulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente sein, die Lichtstärke kann (i) aus einer Gleichstromkomponente des Fotodetektionssignals oder (ii) aus einer Amplitude eines Signals mit der vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente oder einer Frequenzkomponente eines ganzzahligen Vielfachen davon berechnet werden, das in dem Fotodetektionsssignal enthalten ist, und die mittlere Flugpfadlänge kann aus einer Phasenverzögerung des Signals mit der vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente oder der Frequenzkomponente eines ganzzahligen Vielfachen davon berechnet werden.
Das vorbestimmte Verhältnis zwischen dem Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten, der Lichtstärke, der mittleren Flugpfadlänge und der Differenz zwischen den Absorptionskoeffizienten pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente für die mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ist vorzugsweise ein Verhältnis, das auf Grund der Tatsache abgeleitet wird, dass ein Wert, der durch partielles Differenzieren eines natürlichen Logarithmus der erfassten Lichtstärke durch den Absorptionskoeffizienten gleich der mittleren Flugpfadlänge ist, ohne eine Differenz in der mittleren Flugpfadlänge auf Grund der Differenz im Streuungskoeffizienten zu vernachlässigen.
In dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird im arithmetischen Verarbeitungsschritt (im arithmetischen Verarbeitungsmittel) die Konzentration der Absorptionskomponente in dem Streuungsmedium vorzugsweise auf der Basis eines Verhältnisses berechnet, dargestellt durch:
wobei
V die Konzentration der Absorptionskomponente ist,
ε₁ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₁ ist,
ε₂ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₂ ist,
<L₁(λ₁)> eine mittlere Flugpfadlänge für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist,
<L₁(λ₂)> eine mittlere Flugpfadlänge für Licht mit der Wellenlänge λ₂ ist,
I₁(λ₁) eine erfasste Lichtstärke für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₁ und der Wellenlänge λ₁ ist,
I₁(λ₂) eine erfasste Lichtstärke für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₂ und der Wellenlänge λ₂ ist,
k ein Verhältnis (μ_s2'/μ_s1') eines Transportstreuungskoeffizienten μ_s2' für Licht mit der Wellenlänge λ₂ zu einem Transportstreuungskoeffizienten μ_s1' für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, und
p ein vorbestimmter Wert ist, der 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt.
In dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird im arithmetischen Verarbeitungsschritt (im arithmetischen Verarbeitungsmittel) die Konzentration der Absorptionskomponente in dem Streuungsmedium vorzugsweise auf der Basis eines Verhältnisses berechnet, dargestellt durch:
wobei
V die Konzentration der Absorptionskomponente ist,
ε₁ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₁ ist,
ε₂ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₂ ist,
<L₁(λ₁)> eine mittlere Flugpfadlänge an einer Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist,
<L₁(λ₂)> eine mittlere Flugpfadlänge an der Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit der Wellenlänge λ₂ ist,
<L₂(λ₁)> eine mittlere Flugpfadlänge an einer Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist,
<L₂(λ₂)> eine mittlere Flugpfadlänge an der Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Wellenlänge λ₂ ist,
I₁(λ₁) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₁ und der Wellenlänge λ₁ ist,
I₁(λ₂) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₂ und der Wellenlänge λ₂ ist,
I₂(λ₁) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Einfallslichtstärke B₁ und der Wellenlänge λ₁ ist,
I₂(λ₂) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Einfallslichtstärke B₂ und der Wellenlänge λ₂ ist,
k ein Verhältnis (μ_s2'/μ_s1') eines Transportstreuungskoeffizienten μ_s2' für Licht mit der Wellenlänge λ₂ zu einem Transportstreuungskoeffizienten μ_s1' für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist,
p ein vorbestimmter Wert ist, der 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt, und
q ein vorbestimmter Wert ist, der 0 ≤ q ≤ 1 erfüllt.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet "Transportstreuungskoeffizienten unterscheiden sich voneinander", dass die Differenz zwischen den Transportstreuungskoeffizienten für jeden der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen für das Streuungsmedium als Zielmessobjekt so groß ist, dass sie nicht vernachlässigt werden kann.
In der vorliegenden Erfindung wird die Konzentration einer spezifischen Absorptionskomponente auf der Basis des grundlegenden Verhältnisses berechnet, das für verschiedene Streuungsmedien, die von Wellenlängen abhängige Streuungseigenschaften und verschiedene Grenzbedingungen haben, gültig ist, d.h., auf der Basis des Verhältnisses zwischen der Lichtstärke an der Fotodetektionsposition, der mittleren Flugpfadlänge und der Differenz oder dem Verhältnis zwischen den Absorptionskoeffizienten pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente für die mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen, und dem Wert oder Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten der Streuungskomponente für die mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen. Aus diesem Grund kann die Konzentration der spezifischen Absorptionskomponente genauer gemessen werden, ohne Einschränkung bezüglich der zu verwendenden Wellenlänge und ohne Einfluss der Grenzbedingung (Form) des Streuungsmediums. Zusätzlich kann auch die Veränderung im Laufe der Zeit oder räumliche Verteilung der Konzentration der spezifischen Absorptionskomponente gemessen werden.
In der vorliegenden Erfindung werden die Lichtstärke und die mittlere Flugpfadlänge, die aus tatsächlichen Messwerten erhalten werden, als Parameter für die arithmetische Verarbeitung der Konzentration der spezifischen Absorptionskomponente verwendet. Diese Parameter werden unter Verwendung fast aller Lichtstrahlen ermittelt, die an der Fotodetektionsposition erhalten werden, d.h., haben integrierte Werte. Somit kann ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erhalten werden und folglich kann eine hohe Messgenauigkeit erreicht werden.
In der vorliegenden Erfindung wird die Messung durchgeführt, indem mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen, die unterschiedliche Transportstreuungskoeffizienten und ein bekanntes Verhältnis derselben haben, auf ein Streuungsmedium gestrahlt werden. Die Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten einer Absorptionskomponente für eine vorbestimmte Wellenlänge wird aus Messwerten erhalten, und die Konzentration einer spezifischen Absorptionskomponente wird aus dieser Differenz ermittelt.
Die vorliegende Erfindung wird durch die ausführliche Beschreibung, die in der Folge angeführt ist, und die beiliegenden Zeichnungen verständlicher, die nur der Veranschaulichung dienen und somit nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung betrachtet werden.
Ein weiterer Umfang der Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung geht aus der folgenden ausführlichen Beschreibung hervor. Es sollte jedoch offensichtlich sein, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele, die zwar bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, nur der Veranschaulichung dienen, da verschiedene Änderungen und Modifizierungen im Umfang der Erfindung für den Fachmann aus dieser ausführlichen Beschreibung hervorgehen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht einer Lichtbahn, die sich im Inneren eines Streuungsmediums fortgepflanzt hat;
2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel einer zeitaufgelösten Messwellenform zeigt;
3 ist eine Graphik, die das Verhältnis zwischen einem Absorptionskoeffizienten und einer mittleren optischen Pfadlänge zeigt, wenn Streuungseigenschaften eine Wellenlängenabhängigkeit aufweisen;
4 ist eine Graphik, die Absorptionsspektren verschiedener vitaler Substanzen zeigen;
5 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung einer Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;
6A bis 6D sind schematische Ansichten, die Verfahren zum Strahlen von Licht auf ein Streuungsmedium zeigen;
7A bis 7C sind schematische Ansichten, die Verfahren zum Empfangen von Licht zeigen;
8 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung einer Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
9 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung eines Lichteinfalls-/Detektionsabschnitts der Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;
10 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung einer Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform zeigt;
11A, 11C und 11E sind schematische Ansichten, die Verfahren zum Erzeugen modulierten Lichts zeigen, und 11B, 11D und 11F sind schematische Ansichten, die moduliertes Licht zeigen, das durch die Verfahren erhalten wird; und
12 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnung eines Fotodetektionssignal-Berechnungsabschnitts zeigt.
Beste Ausführungsform der Erfindung
(Prinzip der Erfindung)
Zunächst wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die in der Folge beschriebene Erkenntnis wird zum ersten Mal von den gegenwärtigen Erfindern offenbart.
Es wird angenommen, dass ein Streuungsmedium eine gleichförmige Struktur hat und Licht, das von einer Lichtquelle ausgesendet wird, die an der Oberfläche des Streuungsmediums angeordnet ist, sich im Inneren des Streuungsmediums fortpflanzt und von einem Fotodetektor erfasst wird, der an der Oberfläche positioniert ist. In diesem Fall kann das Streuungsmedium eine willkürliche Form aufweisen, insofern es aus Oberflächen besteht, die einen Wiedereinfall von diffundiertem Licht verhindern.
1 zeigt ein Beispiel einer Bahn erfassten Lichts (oder Photons), das sich im Inneren des Streuungsmediums fortgepflanzt hat.
Das Licht wird von Streuungspartikeln gestreut, so dass der optische Pfad zickzackförmig verläuft. Zu diesem Zeitpunkt gilt das Lambert-Beer-Gesetz für eine zickzackförmige Flugdistanz 1. Die Stärke des Fortpflanzungslichts nimmt exponential in Bezug auf die zickzackförmige Flugdistanz (akkumulierte Distanz) 1 ab. Wenn c die Geschwindigkeit des Lichts im Medium ist und t die Flugzeit, ist die Flugdistanz durch 1 = ct gegeben.
Andererseits wird eine Zeitwellenform J (ct) eines Fotodetektionssignals betrachtet, die durch zeitaufgelöste Messung erhalten wird. Wie in 2 dargestellt, entspricht die Flugdistanz 1 ct = 1 auf der Abszisse der Zeitwellenform J (ct) des Fotodetektionssignals.
Die folgenden wichtigen Ausdrücke, die mit der Flugdistanz und der Absorption von zickzackförmigem Licht zusammenhängen, die zum Zeitpunkt t erfasst werden, werden erhalten. Wie offensichtlich ist, hängt das Ausmaß der Absorption nur mit der Flugdistanz 1 und den Streuungseigenschaften μs zusammen. Das heißt: ct = 1 = nls = n/μs (1) J(ct) = B0A(μs,t)[exp(–μa/μs)]n = B0A(μs,t)exp(-μal) = B0A(μs,t)[exp(-μact)] (2)wobei l_s die durchschnittliche freie Flugdistanz l₃ = l/μ_s' ist
n die Anzahl von Kollisionen mit Streuungspartikeln ist
μ_a der Absorptionskoeffizient ist
μ_s der Streuungskoeffizient ist
B₀ die Einfallsstärke von Licht ist, das auf das Streuungsmedium fällt, und
B₀A(μ_s,t) das Fotodetektionssignal ist, wenn keine Absorption stattfindet (wenn μ_a = 0). In diesem Fall ist l ≫ l_s, und A(μ_s,t) stellt den Einfluss der Streuung dar.
Grundlegende Ausdrücke, die mit dem Verhalten von Licht im Streuungsmedium zusammenhängen, werden aus den obenstehenden Verhältnissen erhalten. Gleichungen, die mit der Zeitwellenform zusammenhängen (entsprechend der zeitaufgelösten Messung) sind J(μs,μa,t) = B0A(μs,t)exp(–μact) (3)
Gleichung (3) wird durch Umschreiben von Gleichung (2) erhalten.
Gleichung (3) oder (4) der vorangehenden vier Gleichungen ist für die quantitative Berechnung der Hämoglobinkonzentration eines lebenden Körpers geeignet.
Da eine erfasste Lichtstärke I durch Zeitintegration von J(μ_s,μ_a,t) erhalten wird, werden die folgenden grundlegenden Ausdrücke in Verbindung mit der erfassten Lichtstärke I (zeitintegrierter Wert, entsprechend der CW-Messung) erhalten. Die Laplace-Transformation (s = cμ_s) von A(μ_s,t) ist durch F[A(μ_s,t)] dargestellt.
<L(μ_s,μ_a)> in Gleichung (10) ist gleich dem gewichteten Durchschnitt c<t> der Verteilung von J(μ_s,μ_a,t) in Gleichung (3) und wird als Baryzentrum, mittlere Flugpfadlänge oder mittlere optische Pfadlänge bezeichnet.
Diese mittlere Flugpfadlänge < L(μ_s,μ_a)> kann durch Berechnen der zeitaufgelösten Wellenform J(μ_s,μ_a,t) des Detektionssignals berechnet werden. Diese kann auch durch ein anderes Verfahren berechnet werden, z.B. auf der Basis einer Phasenverzögerung des Fotodetektionssignals in Bezug auf den Einfall modulierten Lichts. Da die mittlere Flugpfadlänge <L(μ_s,μ_a)> ein Betrag ist, der unter Verwendung des gesamten Fotodetektionssignals erhalten wird, d.h., ein integrierter Betrag, wird ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) erhalten. Es ist zu beachten, dass die mittlere Flugpfadlänge <L(μ_s,μ_a)> im Allgemeinen von μ_a abhängig ist.
Das oben genannte Ergebnis wurde auch durch eine Monte-Carlo-Simulation bestätigt. Das oben genannte Ergebnis zeigt auch, dass bei Verwendung einer Photonendiffusionsgleichung angemessen ist, eine neue Diffusionskonstante D zu definieren und zu verwenden, die durch Entfernen des Absorptionskoeffizienten aus der herkömmlichen Diffusionskonstante erhalten wird. Das heißt,
wobei μ_s' ein Transportstreuungskoeffizient μ_s' = (1-g)μ_s nach dem gleichen Prinzip ist (wobei g der Durchschnittswert des Kosinus des Streuungswinkels ist).
In der vorliegenden Erfindung wird die folgende Analyse in Anbetracht der Wellenlängenabhängigkeit des Streuungskoeffizienten durchgeführt. Zunächst werden sowohl die linke als auch rechte Seite von Gleichung (10) von 0 bis μ_a integriert, um Folgendes zu erhalten:
Es wird angenommen, dass das Streuungsmedium eine einzige Art von Absorptionskomponente enthält. ε₁ und ε₂ seien die Absorptionskoeffizienten pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente in Bezug auf Lichtkomponenten mit den Wellenlängen λ₁ beziehungsweise λ₂. Eine Konzentration der Absorptionskomponenten ist gegeben durch V(ε1 – ε2) = μa1 – μa2 (14)wobei μ_a1 und μ_a2 die Absorptionskoeffizienten der Absorptionskomponente bei den Wellenlängen λ₁ beziehungsweise λ₂ ist.
Wenn daher die mittleren Flugpfadlängen <L(λ₁)> = <L₁(μ_s1, μ_a1) > und <L(λ₂)> = <L₂(μ_s2,μ_a2)> und Lichtstärken I₁(λ₁) = I₁(μ_s1,μ_a1) und I₂(λ₂) = I₂(μ_s2,μ_a2) für einfallendes Licht mit der Wellenlänge λ₁ (einfallende Lichtstärke B₁) und der Wellenlänge λ₂ (einfallende Lichtstärke B₂) zu erfassen sind,
In Gleichung (15)
Gleichung (15) kann umgeschrieben werden zu
Die gegenwärtigen Erfinder haben festgestellt, dass der Einfluss der Differenz im Streuungskoeffizienten des zweiten Terms der rechten Seite der vorangehenden Gleichung in der Anmeldung nach dem Stand der Technik (Japanische Patentanmeldung, Auslegeschrift Nr. Hei 8-94517) vernachlässigt wird, so dass sich ein Analysefehler ergibt. 3 zeigt das Ergebnis einer experimentellen Untersuchung des Verhältnisses zwischen dem Absorptionskoeffizienten (μ_a) und der mittleren optischen Pfadlänge (L: mittlere Flugpfadlänge), wenn der Streuungskoeffizient eine Wellenlängenabhängigkeit hat. Die Messung erfolgte unter Verwendung einer 1% intralipiden Lösung als Streuungsmaterial und grünbrauner Tinte als Absorptionsmittel. Gleichung (16), die sich auf die mittlere optische Pfadlänge bezieht, ist in 3 eingetragen. Insbesondere, selbst wenn die Messung für denselben Absorptionskoeffizienten durchgeführt wird, ändert sich die mittlere optische Pfadlänge aufgrund der unterschiedlichen Streuungskoeffizienten.
In der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Gleichungen zur Analyse erhalten, während dieser Punkt korrigiert wird.
Die mittlere optische Pfadlänge kann auch aus einer Photonendiffusionsgleichung erhalten werden. Das Verhältnis der mittleren optischen Pfadlänge wird unter Verwendung einer Photonendiffusionsgleichung erhalten. Eine solche Photonendiffusionsgleichung ist gegeben durch
für die Messung vom semi-infiniten Raumreflexionstyp und Scheibentransmissionstyp, wo μ_a' der Transportstreuungskoeffizient nach dem gleichen Prinzip ist, und μ_eff gegeben ist durch
Es wird angenommen, dass <L(μ_s,μ_a)> und <L(μ_s',μ_a)> bei Umwandlung von μ_s' = (1-g)μ_s (wobei g der mittlere Kosinuswert des Streuungswinkels ist) untereinander gleich sind.
Somit gilt für λ₁ und λ₂
Somit
Es gilt eine der folgenden Näherungsgleichungen
Normalerweise ist r > 5 mm. Für einen Parameter eines lebenden Körpers ist Gleichung (22) erfüllt. Gleichung (22) wird in der Folge betrachtet. Insbesondere in dem Bereich, in dem Gleichung (22) gilt
Das Einsetzen von Gleichung (24) in Gleichung (16) ergibt
Wenn der Mittelwertsatz im ersten Term der rechten Seite von Gleichung (25) verwendet wird, liegt μ_ax vor, das
erfüllt. In diesem Fall ist μ_a1 ≤ μ_ax ≤ μ_a2 oder μ_a2 ≤ μ_ax ≤ μ_a1. Die Gleichung (26) kann auch unter Verwendung des geeigneten p dargestellt werden, das 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt.
Wenn Gleichung (24) bis μ_a = 0 gilt, kann der zweite Term der rechten Seite der Gleichung (25) umgeschrieben werden zu
Das Einsetzen von Gleichung (27) und (28) in Gleichung (25) ergibt somit
Das Einsetzen von μa1 = Vε1 (30) μa2 = Vε2 (31)in Gleichung (29) ergibt
Dies ergibt
Die gegenwärtigen Erfinder haben festgestellt, dass die Konzentration V der Absorptionskomponente nach
berechnet werden kann.
Insbesondere, da ε₁, ε₂, B₁, B₂ und k (Verhältnis des Transportstreuungskoeffizienten) bekannt sind, kann die Konzentration V einer spezifischen Absorptionskomponente aus Werten berechnet werden, die durch Messung erhalten werden, d.h., der mittleren Flugpfadlängen <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)>, der natürlichen Logarithmen von Lichtstärken lnI₁(λ₁) und lnI₁(λ₂) und des Wertes p, der empirisch definiert werden kann.
Wenn bei der tatsächlichen Messung p = ½ für die Gleichung (33) festgelegt wird, und die Durchschnittswerte <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)> für <L₁(μ_s,μ_a1)> verwendet werden, um
zu erhalten, kann eine ausreichende Messgenauigkeit erreicht werden.
Insbesondere, wenn die mittleren Flugpfadlängen <L₁(λ₁)> <L₁(λ₂)>, <L₂(λ₁)> und <L₂(λ₂)> und die Lichtstärken I₁(λ₁), I₁(λ₂), I₂(λ₁), I₂(λ₂) für das einfallende Licht mit der Wellenlänge λ₁ (einfallende Lichtstärke B1) und der Wellenlänge λ₂ (einfallende Lichtstärke B₂) an den Fotodetektionspositionen r₁ beziehungsweise r₂ erfasst werden sollen, wird die Differenz zwischen Gleichung (35)
und Gleichung (36)
berechnet. Die linke Seite ist
und die rechte Seite ist
Dies ergibt
Somit haben die gegenwärtigen Erfinder festgestellt, dass die Konzentration V der Absorptionskomponente nach
berechnet werden kann, wobei p ein geeigneter Wert ist, der 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt, und q ein geeigneter Wert ist, der 0 ≤ q ≤ 1 erfüllt.
Da ε₂, ε₁, und k (Verhältnis des Transportstreuungskoeffizienten) bekannt sind, kann auch in diesem Fall die Konzentration V einer spezifischen Absorptionskomponente aus Werten berechnet werden, die durch Messung erhalten werden, d.h., der mittleren Flugpfadlängen <L₁(λ₁)>, <L₁(λ₂)>, <L₂(λ₁)>, <L₂(λ₂)>, der natürlichen Logarithmen von Lichtstärken lnI₁(λ₁), lnI₁(λ₂), lnI₂(λ₁), lnI₂(λ₂), und der Werte p und q, die empirisch definiert werden können, wie zuvor beschrieben wurde.
Auch in diesem Fall wird die Gleichung (39) , wenn p = q = ½, umgeschrieben zu
Somit kann eine ausreichende Messgenauigkeit erreicht werden.
Wenn das Streuungsmedium zwei Arten von Absorptionskomponenten enthält, können drei Lichtkomponenten mit verschiedenen Wellenlängen verwendet werden. Insbesondere seien V₁ und V₂ die Konzentrationen der zwei Absorptionskomponenten des Streuungsmediums. Zwei simultane Gleichungen, die V₁ und V₂ zugeordnet sind, gelten, wie Gleichung (33) oder (39). Wenn diese simultanen Gleichungen gelöst werden, können V₁ und V₂ erhalten werden. Allgemeiner, wenn ein Streuerungsmedium m Arten von Absorptionskomponenten enthält, können die Konzentrationen der m Absorptionskomponenten unter Verwendung von (m+1) Lichtkomponenten mit Wellenlängen gemessen werden.
Zum Beispiel zeigt 4 die Absorptionsspektren von oxidiertem und deoxidiertem Hämoglobin und oxidiertem und deoxidiertem Myglobin. Für Hämoglobin im Gehirn ist es wichtig, das Verhältnis einer oxidierten Komponente zu einer deoxidierten Komponente zu messen. In diesem Fall kann die Messung, die auf dem zuvor beschriebenen Prinzip beruht, unter Verwendung von Lichtkomponenten mit Wellenlängen durchgeführt werden, die eine große Absorptionskoeffizientendifferenz für oxidierte und deoxidierte Komponenten aufweisen, d.h., Lichtkomponenten mit Wellenlängen von 700 nm bis 1,2 μm.
Selbst wenn in der vorliegenden Erfindung der Streuungskoeffizient einer Streuungskomponente sich abhängig von der Wellenlänge von Licht ändert, kann die Konzentration der Absorptionskomponente in dem Streuungsmedium genau gemessen werden. Selbst wenn die Wellenlängenabhängigkeit des Streuungskoeffizienten nicht vernachlässigt werden kann, wie in einer tatsächlichen vitalen Probe, ist aus diesem Grund die zu verwendende Wellenlänge nicht eingeschränkt, und Messungen von Streuungsmedien mit verschiedenen Grenzbedingungen (Formen) sind möglich.
Das Verfahren zur Messung der Konzentrationen spezifischer Absorptionskomponenten in Streuungsmedien mit verschiedenen Grenzbedingungen wurde zuvor beschrieben. In der oben genannten Ausführungsform wird eine Impulsantwort unter Verwendung von Impulslicht gemessen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel kann moduliertes Licht verwendet werden, wie in der Folge beschrieben ist.
Wenn moduliertes Licht verwendet werden soll, stellt die Fourier-Transformation einer Impulsantwort h(t) eine Systemfunktion dar. Unter Berücksichtigung, dass die Impulsantwort h(t) eine zeitkausale Funktion ist, ergibt die Fourier-Transformation von Gleichung (3) eine Systemfunktion H(ω), die gegeben ist durch H(ω) = H(μs,μa,ω)
wobei R(μ_s,μ_a,ω) und x(μ_s,μ_a,ω) der reale Teil beziehungsweise imaginäre Teil sind und A(μ_s,μ_a,ω) und ϕ(μ_s,μ_a,ω) die Amplitude beziehungsweise Phase sind. Die Phasenverzögerung wird durch Ändern des Vorzeichens der Phase dargestellt.
Wenn Gleichung (3) in Gleichung (41) eingesetzt und umgeordnet wird, gelten die folgenden Ausdrücke, die sogenannten Cauchy-Riemann-Ausdrücke, in der komplexen Funktionstheorie.
Wenn die Gleichungen (42.1) und (42.2.) gelten, ist bewiesen, dass die folgenden Verhältnisse gelten.
Somit kann zur Berechnung des Absorptionskoeffizienten μ_a, eine der Gleichungen (42.1), (42.2), (43.1) und (43.2) verwendet werden. Insbesondere werden vorzugsweise Gleichungen, die durch Integrieren dieser Gleichungen mit μ_a erhalten werden, d.h., die folgenden Gleichungen, die aus den vorangehenden Gleichungen erhalten werden, verwendet.
Der zweite Term der rechten Seite jeder der Gleichungen (44.1) bis (44.4) ist eine Integrationskonstante, die einen Wert für μ_a = 0 darstellt. Wenn eine Analyse unter Verwendung der Gleichungen (44.1) bis (44.4) in der zuvor beschriebenen Weise ausgeführt wird, kann eine Gleichung wie Gleichung (33) oder (39), die sich auf die Konzentration einer Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium bezieht, abgeleitet werden. Insbesondere entspricht Gleichung (44.3) der zuvor beschriebenen Gleichung (12). Selbst wenn daher moduliertes Licht verwendet wird, kann somit die zuvor beschriebene Analyse durchgeführt werden, indem die Integrationsstärke I durch die Amplitude A und die mittlere optische Pfadlänge <L> durch die Phase ϕ ersetzt wird. Wenn stärkemoduliertes Licht verwendet wird, sind B₁ und B₂ in der oben genannten Gleichung die Amplituden der Modulationsfrequenzkomponenten des stärkemodulierten Lichts.
In der oben genannten Ausführungsform wird als Detektionslichtstärke I ein Wert, der durch Integrieren der zeitaufgelösten Wellenform in dem Bereich vom Zeitpunkt 0 bis Unendlich (als praktisches Messverfahren reicht der Bereich soweit, bis die beobachtete Lichtwellenform ausreichend geschwächt ist) verwendet (z.B. Gleichung (7)). Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann eine Periode von einem willkürlichen Zeitpunkt t₁ bis t₂ eingestellt werden und die Lichtwellenform kann innerhalb dieses Bereichs integriert werden, um eine Analyse wie zuvor beschrieben durchzuführen. Da in diesem Fall die optische Pfadlänge von Photonen, die durch das Innere des Streuungsmediums als Zielmessobjekt durchgelassen werden, begrenzt sein kann, kann der Messbereich begrenzt sein.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in der Folge unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dieselben Bezugszeichen bezeichnen in allen Zeichnungen dieselben Elemente und eine wiederholte Beschreibung wird unterlassen.
(Erste Ausführungsform)
5 zeigt die erste Ausführungsform eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium 20 gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform kann die Konzentration der Absorptionskomponente unter Verwendung der zuvor beschriebenen Gleichung (39) gemessen werden, da acht Parameterwerte entsprechend zwei Lichtkomponenten erhalten werden können, die verschiedene Wellenlängen (λ₁ und λ₂) und zwei Fotodetektionsdistanzen (r₁ und r₂) haben.
Eine Lichtquelle 2 erzeugt mit Hilfe einer Laserdiode Impulslicht (Impulslichtstrahlen) mit verschiedenen Wellenlängen λ₁ und λ₂. Die Zeitbreite des Impulslichts kann frei gewählt werden, normalerweise in einem Bereich von 10 ps bis 100 ns, vorausgesetzt, sie ist so kurz, dass die mittlere Flugpfadlänge von einem Fotodetektionssignal erhalten werden kann. Ferner müssen die Wellenlängen des Lichts in Übereinstimmung mit dem zu messenden Objekt passend gewählt werden. Im Allgemeinen wird vom Standpunkt der Absorption durch Hämoglobin oder dergleichen häufig für einen lebenden Körper Licht mit einer Wellenlänge von 700 nm oder mehr verwendet. Als Lichtquelle kann nicht nur die Laserdiode, sondern auch eine lichtemittierende Diode, ein HeNe-Laser, ein Titan-Saphir-Laser oder dergleichen verwendet werden.
Die Wellenlänge von Impulslicht von der Lichtquelle 2 wird von einem Wellenlängenselektor 4 gewählt. Das Impulslicht fällt durch eine Lichtführung 6 auf die Oberfläche des Streuungsmediums 20 als Zielmessobjekt. In diesem Fall können zwei Impulslichtkomponenten verschiedener Wellenlängen gleichzeitig einfallen. In diesem Fall wird der Wellenlängenselektor 4 weggelassen.
Der Raum zwischen der Lichtführung 6 und dem Streuungsmedium 20 ist in der in 5 dargestellten Ausführungsform sehr klein. Tatsächlich kann der Raum vergrößert und mit einer Flüssigkeit oder einem Gelobjekt (die/das in der Folge hierin als Grenzflächenmaterial bezeichnet wird) gefüllt werden, die/das einen Brechungsindex und Streuungskoeffizienten hat, die nahezu gleich jenen des Streuungsmediums 20 sind. Das heißt, da Licht durch dieses Grenzflächenmaterial diffundiert und sich darin fortpflanzt und auf das Zielmessobjekt fällt, entsteht kein Problem. Wenn die Oberflächenreflexion des Streuungsmediums ein Problem bereitet, kann der Einfluss der Oberflächenreflexion durch geeignete Wahl eines Grenzflächenmaterials verringert werden.
Das Licht, das im Inneren des Streuungsmediums diffundiert und sich darin fortpflanzt, wird von Lichtführungen 8 und 9 empfangen, die an Positionen angeordnet sind, die von der Lichteinfallsposition mit Distanzen r₁ und r₂ entfernt sind. An diesen Positionen kann auch ein Grenzflächenmaterial aus denselben Gründen wie zuvor beschrieben verwendet werden.
Ein erster Fotodetektor 12 und ein zweiter Fotodetektor 13 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um, verstärken die Signale nach Bedarf und geben Fotodetektionssignale aus. Als Fotodetektor 12 und 13 können nicht nur Fotovervielfacher, sondern auch eine fotoelektrische Röhre, eine Fotodiode, eine Lawinenfotodiode oder PIN-Fotodiode verwendet werden. Jeder Fotodetektor kann gewählt werden, insofern er spektrale Empfindlichkeitseigenschaften zum Erfassen von Licht vorbestimmter Wellenlänge und die notwendige Zeitreaktionsgeschwindigkeit hat. Wenn das optische Signal schwach ist, wird ein Fotodetektor mit hoher Verstärkung verwendet. Ein zeitkorreliertes Photonenzählverfahren zum Zählen von Photonen kann verwendet werden. Eine Struktur, die nicht die lichtempfangende Oberfläche des Fotodetektors ist, absorbiert vorzugsweise Licht oder schirmt dieses ab. Wenn zwei Impulslichtkomponenten mit verschiedenen Wellenlängen gleichzeitig auf das Streuungsmedium gestrahlt werden, wie zuvor beschrieben, werden vorzugsweise geeignete Wellenlängenselektionsfilter (nicht dargestellt) zwischen dem Fotodetektor 12 und dem Streuungsmedium 20 und zwischen dem Fotodetektor 13 und dem Streuungsmedium 20 eingesetzt.
Ein Parameterdetektionsabschnitt 15 erfasst die Lichtstärke und die mittlere Flugpfadlänge von jedem Fotodetektionssignal. Die Lichtstärke ist der zeitintegrierte Wert eines Fotodetektionssignals und kann daher einfach durch Integrieren des Fotodetektionssignals erhalten werden. Die mittlere Flugpfadlänge ist der gewichtete Durchschnitt der Zeitwellenform eines Fotodetektionssignals in Bezug auf den Einfall eines Impulslichts mit einer ausreichend schmalen Zeitbreite, und kann daher einfach durch Ausführen der zuvor beschriebenen Gleichung (10) oder einer entsprechenden Berechnung auf der Basis der Zeitwellenform des Fotodetektionssignals erhalten werden. In diesem Fall verwendet der Parameterdetektionsabschnitt nach Bedarf ein Signal, das mit der optischen Impulserzeugung durch die Lichtquelle 2 synchronisiert ist.
Ein arithmetischer Verarbeitungsabschnitt 16 berechnet eine Konzentration V der Absorptionskomponente auf der Basis der zuvor beschriebenen Gleichung (39) unter Verwendung der acht Parameterwerte, die vom Parameterdetektionsabschnitt 15 erhalten werden, d.h., die Lichtstärken I₁(λ₁) und I₁(λ₂) und die mittleren Flugpfadlängen <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)> an der Position r₁ und die Lichtstärken I₂(λ₁) und I₂(λ₂) und mittleren Flugpfadlängen <L₂(λ₁)> und <L₂(λ₂)> an der Position r₂ für den Einfall von Impulslicht mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂. Zu diesem Zeitpunkt werden Konstanten p und q verwendet, die empirisch definiert werden können. Bei der tatsächlichen Messung wird eine ausreichende Genauigkeit erhalten, indem p = q = ½ eingestellt wird. Diese Berechnungen werden bei hoher Geschwindigkeit von einem Mikrocomputer ausgeführt, der in dem arithmetischen Verarbeitungsabschnitt eingebaut ist.
Wenn die einfallenden Lichtstärken der Impulslichtkomponenten mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ gleich sind oder so gesteuert werden können, dass sie gleich sind, kann der zweite Fotodetektor 13 weggelassen werden. In diesem Fall werden vier Parameter, d.h., die Lichtstärken I₁(λ₁) und I₁(λ₂) und die mittleren Flugpfadlängen <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)> an der Position r₁ für den Einfall von Impulslicht mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ von dem Parameterdetektionsabschnitt 15 erhalten. Somit berechnet der arithmetische Verarbeitungsabschnitt 16 die Konzentration V der Absorptionskomponente auf der Basis der zuvor beschriebenen Gleichung (33) unter Verwendung dieser Parameterwerte. Zu diesem Zeitpunkt wird die Konstante p verwendet, die empirisch bestimmt werden kann. Bei der tatsächlichen Messung kann eine ausreichende Genauigkeit erhalten werden, indem p = ½ eingestellt wird. Diese Berechnungen werden bei hoher Geschwindigkeit von einem Mikrocomputer ausgeführt, der in dem arithmetischen Verarbeitungsabschnitt eingebaut ist.
Das Verfahren, um Licht von einer Position einfallen zu lassen und es an zwei anderen Positionen zu erfassen, wurde zuvor beschrieben. Tatsächlich können Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen von zwei Positionen ausgestrahlt und parallel oder zeitgeteilt an anderen Positionen erfasst werden.
Wie zuvor beschrieben wird in dieser Ausführungsform ein Verfahren zum Ausstrahlen von Licht mit Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen oder ein Verfahren zum zeitaufgeteilten Ausstrahlen von Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen verwendet. Als erstgenanntes Verfahren kann ein Verfahren zum Ausstrahlen von Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen als koaxiale Strahlen und zum Wählen einer Wellenlänge durch ein Wellenlängenselektionsfilter, das unmittelbar vor der Lichteinfallsposition angeordnet ist, ein Verfahren zum Ausstrahlen der Lichtkomponenten direkt auf das Streuungsmedium und Wählen einer Wellenlänge durch ein Wellenlängenselektionsfilter, das unmittelbar vor dem Fotodetektor angeordnet ist, oder ein Verfahren zum Teilen jeder erfassten Lichtkomponente in zwei Abschnitte, Wählen von Wellenlängen und parallelen Erfassen der Lichtkomponenten durch insgesamt vier Fotodetektoren verwendet werden. Als letztgenanntes Verfahren kann eine Lichtstrahlschaltvorrichtung unter Verwendung eines Spiegels an der Lichtquellenseite, eine Lichtstrahlschaltvorrichtung unter Verwendung eines Filters, oder eine Lichtstrahlschaltvorrichtung unter Verwendung eines optischen Schalters verwendet werden.
Als Mittel zum Ausstrahlen von Licht auf das Streuungsmedium kann ein Verfahren, in dem eine Kondensorlinse verwendet wird (6A), ein Verfahren, in dem eine optische Faser verwendet wird (6B), ein Verfahren, in dem eine Lochblende verwendet wird (6C), ein Verfahren, in dem Licht in den Körperhohlraum (das Streuungsmedium) gestrahlt wird, z.B. ein Gastroskop (6D) anstelle des Verfahrens, in dem die in 5 dargestellte Lichtführung benutzt wird, verwendet werden. Als Alternative kann ein dicker Lichtstrahl auf das Streuungsmedium gestrahlt werden. Dies kann so gesehen werden, dass eine Vielzahl punktförmiger Lichtquellen angeordnet sind.
Als Mittel zum Erfassen des Lichts, das im Inneren des Streuungsmediums diffundiert ist und sich darin fortgepflanzt hat, kann nicht nur das Verfahren unter Verwendung der in 5 dargestellten Lichtführung, sondern auch ein Verfahren zum direkten Erfassen des Lichts (7A), ein Verfahren, das eine optische Faser verwendet (7B), oder ein Verfahren, das eine Linse (7C) verwendet, eingesetzt werden.
Wenn in der ersten Ausführungsform drei Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen verwendet werden, kann die Konzentration jeder von zwei Absorptionskomponenten, die im Streuungsmedium enthalten sind, oder die Konzentration von einer von mehreren Absorptionskomponenten, die in einem Streuungsmedium enthalten sind, und die Gesamtkonzentration der übrigen Absorptionskomponenten gemessen werden. Zum Beispiel weisen oxidiertes Hämoglobin und deoxidiertes Hämoglobin verschiedene Absorptionskoeffizienten auf, abhängig von der Wellenlänge, wie in 4. Wenn daher drei Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen, die richtig ausgewählt sind, verwendet werden, kann die Konzentration und zusätzlich die Sauerstoffsättigung jeder der Absorptionskomponenten gemessen werden. Im Allgemeinen, wenn (m+1) Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen verwendet werden, können die Konzentrationen von m Absorptionskomponenten gemessen werden. Wenn eine größere Anzahl von Lichtkomponenten als (m+1) verwendet wird, kann die Messgenauigkeit verbessert werden.
Wenn die Messung zu verschiedenen Zeitpunkten ausgeführt wird, kann eine Veränderung der Konzentration der Absorptionskomponenten im Laufe der Zeit gemessen werden. Wenn die Konzentrationen der Absorptionskomponenten an verschiedenen Abschnitten des Streuungsmediums durch Abtasten gemessen werden, während die Lichteinfallspositionen auf dem Streuungsmedium mit den Lichterfassungspositionen synchronisiert werden, kann die räumliche Verteilung der Konzentrationen gemessen werden. Der arithmetische Verarbeitungsabschnitt 16 hat die Funktion, Konzentrationsinformationen, die auf die oben genannte Weise erhalten wurden, zu speichern, und ein Anzeige-/Aufzeichnungsmittel 18 zeigt die Konzentrationsinformationen an oder zeichnet diese auf.
Diese Berechnungen können bei hoher Geschwindigkeit von einem Computer mit Speicher und Anzeige ausgeführt werden.
(Zweite Ausführungsform)
8 zeigt die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, d.h., ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen oder Überwachen der Konzentration von oxidiertem Hämoglobin oder der Sauerstoffsättigung von Hämoglobin (Verhältnis der Konzentration von oxidiertem Hämoglobin zu der Konzentration des gesamten Hämoglobins) in einem Streuungsmedium 30 wie einem Teil des menschlichen Kopfs. In dieser Ausführungsform werden 12 Parameterwerte unter Verwendung von drei Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen (λ₁, λ₂, λ₃) und zwei Fotodetektionsdistanzen (r₁ und r₂) in drei simultane Gleichungen eingesetzt, die auf der zuvor beschriebenen Gleichung (20) beruhen, wodurch die Konzentration des oxidierten Hämoglobins und die Sauerstoffsättigung von Hämoglobin gemessen wird.
Ein Behälter 26 mit einem Trageriemen wird wie ein Stirnband um den Kopfteil 30 geschlungen. Die Vorrichtung dieser Ausführungsform verwendet drei Lichtkomponenten vorbestimmter Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃, und ihr Betrieb ist annähernd gleich jenem der Vorrichtung der ersten Ausführungsform. 9 zeigt einen Teil des Aufbaus der Vorrichtung, die in 8 dargestellt ist, d.h., die detaillierte Innenstruktur des Behälters 26.
Unter Bezugnahme auf 9 wird eine Wellenlänge von Impulslichtkomponenten mit den vorbestimmten Wellenlängen λ₁, λ₂ und λ₃, die von einer Lichtquelle 2 ausgesendet werden, von einem Wellenlängenselektor 4 ausgewählt, und die ausgewählte Lichtkomponente durch eine Lichtführung 6 auf den Kopfteil 30 gestrahlt. Die drei Wellenlängen sind in Bezug auf das Absorptionsspektrum des in 4 dargestellten Hämoglobins richtig ausgewählt.
Das Licht, das im Inneren des Kopfteils diffundiert ist und sich fortgepflanzt hat, wird von Lichtführungen 8 und 9 aufgenommen, die an Position angeordnet sind, die von der Lichteinfallsposition mit Distanzen r₁ und r₂ entfernt sind, und vom ersten Fotodetektor 12 und zweiten Fotodetektor 13 zu elektrischen Signalen umgewandelt und bei Bedarf verstärkt. Die erhaltenen Signale sind Signale, die den drei Wellenlängen und den zwei Fotodetektionsdistanzen entsprechen. Die Energieversorgung und verschiedene Signale sind an eine externe Vorrichtung 34 durch ein Signalkabel 32 über einen Verbinder 28 angeschlossen, der an dem Behälter 26 befestigt ist. Ein Parameterdetektionsabschnitt (nicht dargestellt) in der externen Vorrichtung 34 empfängt Lichtstärken und mittlere Flugpfadlängen, die den drei Wellenlängen und zwei Fotodetektionsdistanzen entsprechen, d.h., 12 Parameter.
Zu diesem Zeitpunkt gelten zwei simultane Gleichungen, wie die zuvor beschriebene Gleichung (39), für Signale, die in Bezug auf die Wellenlängen λ₁ und λ₂ erhalten werden, und jene, die in Bezug auf die Wellenlänge λ₁ und λ₃ erhalten werden. Wie in der ersten Ausführungsform kann eine Konzentration V₁ von oxidiertem Hämoglobin, eine Konzentration V₂ von deoxidiertem Hämoglobin und die Sauerstoffsättigung V₁/(V₁+V₂) von Hämoglobin durch einen arithmetischen Verarbeitungsabschnitt (nicht dargestellt) berechnet und je nach Bedarf ausgegeben oder angezeigt werden. Diese Berechnungen werden von einem Mikrocomputer, der in dem arithmetischen Verarbeitungsabschnitt eingefügt ist, bei hoher Geschwindigkeit ausgeführt. Ein Signal kann in dem Behälter 26 zu einer Funkwelle oder zu einem optischen Signal umgewandelt werden und ohne Verwendung eines Signalkabels zu der externen Vorrichtung 34 übertragen werden.
In dem oben genannten Fall können dieselbe Lichtquelle, derselbe Lichteinfallsabschnitt und dasselbe Fotodetektionsmittel wie in der ersten Ausführungsform verwendet werden. An einem Teil eines menschlichen Kopfes können die Oberflächenreflexion oder ein Spalt zwischen der Lichtführung und dem Kopfteil ein Problem bereiten. In einem solchen Fall kann das oben genannte Grenzflächenmaterial verwendet werden. Die Lichtführung, die in 9 dargestellt ist, wird weggelassen und ein Grenzflächenmaterial mit annähernd denselben Streuungsabsorptionskoeffizienten wie jene des Zielmessobjekts wird zwischen dem Kopfteil und dem Wellenlängenselektor 4 und zwischen dem Kopfteil und den Fotodetektoren 12 und 13 eingesetzt.
Diese Vorrichtung kann nicht nur zur Messung in einem Gehirn, sondern auch zur Messung oder Überwachung z.B. der oxidierten Hämoglobinkonzentration im Beinmuskel eines Läufers während eines Marathons verwendet werden.
(Dritte Ausführungsform)
10 zeigt die dritte Ausführungsform, d.h., ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration einer Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium 20 unter Verwendung eines sinuswellenmodulierten Lichts. In dieser Ausführungsform wird ein Aufbau vom Übertragungstyp zur Messung verwendet. Zwei modulierte Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen (λ₁ und λ₂) werden einfallen gelassen, Licht wird an zwei Position erfasst, die Fotodetektionsdistanzen (r₁ und r₂) entsprechen, und die erhaltenen Parameterwerte werden in die zuvor beschriebene Gleichung (39) eingesetzt, um die Konzentration der Absorptionskomponente zu messen.
Sinuswellenmodulierte Lichtkomponenten mit der Wellenlänge (optischen Wellenlänge) λ₁ und λ₂ und einer vorbestimmten Winkelfrequenz (Modulationswinkelfrequenz) ω, die von einer modulierten Lichtquelle 21 erzeugt wird, werden durch einen Wellenlängenselektor 4 zu einem Lichteinfallsabschnitt 5 geführt und auf das Streuungsmedium 20 gestrahlt. Der Lichteinfallsabschnitt verwendet das in 6A dargestellte Verfahren, d.h., eine Linse. Es kann jedoch jedes andere Verfahren verwendet werden.
Sinuswellenmoduliertes Licht mit einer vorbestimmten Winkelfrequenz wird durch Strommodulation einer Laserdiode erzeugt, wie in 11A und 11B dargestellt ist. Sinuswellenmoduliertes Licht kann auch unter Verwendung der Überlagerungen von zwei CW-Lasern erzeugt werden, wie 11C und 11D dargestellt, oder eines optischen Modulators, wie in 11E und 11F dargestellt.
Das sinuswellenmodulierte Licht, das auf das Streuungsmedium 20 über den Lichteinfallsabschnitt 5 fällt, diffundiert im Inneren des Streuungsmediums und pflanzt sich darin fort, und ein Teil davon fällt auf einen ersten lichtempfangenden Abschnitt 10 und einen zweiten lichtempfangenden Abschnitt 11. Als lichtempfangender Abschnitt wird das in 7C dargestellte Verfahren verwendet. Das Licht zu den lichtempfangenen Abschnitten 10 und 11 wird von den Fotodetektoren 12 beziehungsweise 13 in elektrische Signale umgewandelt. Die Signale werden bei Bedarf verstärkt. In diesem Fall sind der Lichteinfallspunkt und der Lichtempfangspunkt durch die Distanzen r₁ und r₂ getrennt.
Ein Signalverarbeitungssteuerabschnitt 36 führt die Steuerung der Lichtquelle und die arithmetische Verarbeitung des Fotodetektionssignals durch, gibt eine Konzentration V der Absorptionskomponente in dem Streuungsmedium 20 aus, und zeigt diese an und zeichnet sie auf, je nach Bedarf.
12 zeigt die ausführliche Anordnung eines Abschnitts zur Ausführung der arithmetischen Verarbeitung des Fotodetektionssignals. Fotodetektionssignale von den Fotodetektoren 12 und 13 werden zu einem Signalextraktionsabschnitt 14 geleitet, und nur ein Signal, dessen Winkelfrequenzkomponente einen vorbestimmten Wert ω hat, wird aus jedem Fotodetektionssignal extrahiert. Dieses Signal mit der vorbestimmten Winkelfrequenz ω ist eine Photonendichtewelle mit der vorbestimmten Winkelfrequenz ω, die im Inneren des Streuungsmediums 20 diffundiert ist und sich fortgepflanzt hat. Anschließend erfasst ein Parameterdetektionsabschnitt 15 eine Amplitude M und Phasenverzögerung ϕ des Signals mit der vorbestimmten Winkelfrequenz ω.
Das Verhalten des modulierten Lichts in dem Streuungsmedium ist durch die Fourier-Transformation der Gleichungen (3) bis (10) dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt ist das Amplitudenverhältnis der Signale mit der vorbestimmten Winkelfrequenz ω, die an der Detektionsdistanz r₁ für die vorbestimmten Wellenlängen λ₁ und λ₂ erfasst werden, d.h., M₁(λ₁)/M₂(λ₂), gegeben durch
wobei I(λ₁) und I(λ₂) Lichtstärken sind, die für die zuvor beschriebene Gleichung (39) verwendet werden. Somit ist das Lichtstärkenverhältnis in Gleichung (33) oder (39) gleich dem Amplitudenverhältnis.
Wenn die Winkelfrequenz ω deutlicher geringer als das Produkt der Lichtgeschwindigkeit im Medium und des Absorptionskoeffizienten ist, d.h., ω ≪ cμ_a, ist die Phasenverzögerung ϕ proportional zu der zuvor beschriebenen mittleren Flugpfadlänge <L(μ_s,μ_a)>.
Zum Beispiel ist die Phasenverzögerung ϕ bei der Messung vom Übertragungstyp, wie in 10 dargestellt, gegeben durch:
Somit kann die mittlere Flugpfadlänge <L(μ_s,μ_a)> leicht aus den bekannten Werten ω und c und dem Messwert ϕ erhalten werden. Ein solches Verhältnis gilt sogar für eine Messung vom semi-infiniten Raum-Reflexions-Typ. Wenn die Winkelfrequenz hoch ist, wird nicht
verwendet. Das heißt, eine Änderung in der Phase wird gemessen, während die Modulationswinkelfrequenz leicht geändert wird.
Somit werden die Messwertparameter, die in der Berechnung der Konzentration V der Absorptionskomponente unter Verwendung der zuvor beschriebenen Gleichung (33) oder (39) erforderlich sind, d.h., die Lichtstärkenverhältnisse I₁(λ₁)/I₁(λ₂) und I₂(λ₁)/I₂(λ₂) und die mittleren Flugpfadlängen <L₁(λ₁)> und <L₁(λ₂)> und <L₂(λ₁₄)> und <L₂(λ₂)> an den Fotodetektionsdistanzen r₁ und r₂ für einfallende Lichtkomponenten mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ erhalten. Wie in der ersten Ausführungsform werden Kostanten p und q verwendet, die empirisch festgelegt werden können. In der tatsächlichen Messung wird eine ausreichende Genauigkeit erhalten, indem p = q = ½ eingestellt wird.
Ein arithmetischer Verarbeitungsabschnitt 16 führt die Berechnung durch, die durch die zuvor beschriebene Gleichung (33) oder (39) dargestellt ist, wobei die erhaltenen Parameter verwendet werden, und gibt die Konzentration V der Absorptionskomponente aus. Dieser Konzentrationswert wird nach Bedarf angezeigt und aufgezeichnet. Diese Berechnungen werden normalerweise bei hoher Geschwindigkeit von einem Computer ausgeführt, der über einen Speicher und eine Anzeige verfügt.
Im Handel erhältliche Lock-in-Verstärker können für den Signalextraktonsabschnitt 14 und den Parameterdetektionsabschnitt 15 verwendet werden. Ein Lock-in-Verstärker kann ein Signal mit der vorbestimmten Frequenzkomponente (Modulationsfrequenzkomponente) ω von einem Fotodetektionssignal extrahieren und die Amplitude M und die Phasenverzögerung ϕ des Signals erfassen. Zu diesem Zeitpunkt wird das Signal mit der Winkelfrequenz ω, das synchron mit dem modulierten Licht ist, als Referenzsignal verwendet. Ein im Handel erhältlicher Lock-in-Verstärker hat für gewöhnlich einen Modulationsfrequenzmessbereich von bis zu 200kHz. Zum Beispiel kann eine Modulationsfrequenz von 100 MHz nicht direkt von einem Lock-in-Verstärker gemessen werden. Für eine solche Messung wird ein anderer lokaler Sender einer Frequenz, die sich geringfügig von der Modulationsfrequenz der Lichtquelle unterscheidet, verwendet und die Frequenzumwandlung wird durch die Überlagerungsmethode ausgeführt. Wenn zum Beispiel die Modulationsfrequenz der Lichtquelle 100 Hz ist, wird die Frequenz des lokalen Senders bei 100 MHz + 1 kHz eingestellt und beide Signale werden einem Mischer eingegeben, wodurch ein 1-kHz Ausgangssignal erhalten wird. Dieses Signal von 1 kHz hält die Amplitude und Phaseninformation des eingegangenen 100-MHz Signals und kann daher von einem Lock-in-Verstärker gemessen werden.
Im oben genannten Fall hat eine Gleichstromkomponente m_dc von jedem der Fotodetektionssignale von den Fotodetektoren 12 und 13 einen Wert, wenn ω = 0. Dieser Wert entspricht der Lichtstärke I in den Gleichungen (33) und (39). Die Gleichstromkomponente m_dc kann leicht unter Verwendung eines Tiefpassfilters erfasst werden. In der dritten Ausführungsform kann anstelle der Amplitude des Signals mit der vorbestimmten Winkelfrequenz ω die Gleichstromkomponente m_dc, die an der Detektionsdistanz r₁ oder r₂ für eine vorbestimmte Wellenlänge erfasst wird, verwendet werden.
Wenn die vorangehende Messung zu verschiedenen Zeitpunkten ausgeführt wird, kann eine Veränderung der Konzentration der Absorptionskomponente im Laufe der Zeit gemessen werden. Wenn in der vorangehenden Anordnung die Lichteinfallsposition und die Lichtdetektionsposition synchron in Bezug auf das Streuungsmedium 20 (nicht dargestellt) abgetastet werden, kann die räumliche Verteilung der Konzentration der Absorptionskomponente gemessen werden. Dazu kann ein Fotodetektionssystem mit einer Vielzahl von Kanälen verwendet werden.
Wenn drei Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen verwendet werden, kann zusätzlich die Konzentration jeder von zwei Absorptionskomponenten, die in einem Streuungsmedium enthalten sind, oder die Konzentration einer von vielen Absorptionskomponenten, die in einem Streuungsmedium enthalten sind, und die gesamte Konzentration der übrigen Absorptionskomponenten gemessen werden. Allgemeiner formuliert, wenn (m+1) Lichtkomponenten verschiedener Wellenlängen verwendet werden, kann die Konzentration jeder von m Absorptionskomponenten gemessen werden. Wenn eine größere Anzahl von Lichtkomponenten als (m+1) verwendet wird, kann die Messgenauigkeit verbessert werden.
Diese Berechnungen werden normalerweise bei hoher Geschwindigkeit von einem Computer mit einem Speicher und einer Anzeige ausgeführt.
(Vierte Ausführungsform)
In dieser Ausführungsform wird moduliertes Licht mit einer willkürlichen Wellenform und einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenz (Modulationsfrequenz) anstelle des sinuswellenmodulierten Lichts in der dritten Ausführungsform verwendet, das die Wellenlänge λ₁ oder λ₂ und eine vorbestimmte Frequenz hat und von der Lichtquelle erzeugt wird. Obwohl sinuswellenmoduliertes Licht mit einer vorbestimmten Winkelfrequenz in der dritten Ausführungsform verwendet wird, kann das Verfahren der dritten Ausführungsform insbesondere direkt bei einer spezifischen Frequenzkomponente in moduliertem Licht unabhängig von der Wellenform angewendet werden, solange das modulierte Licht eine vorbestimmte Frequenzkomponente enthält. Da zum Beispiel Wiederholungsimpulslicht dieselbe Frequenz enthält wie die Widerholungsfrequenz und eine Frequenzkomponente eines ganzzahligen Vielfachen davon, kann das Verfahren der dritten Ausführungsform direkt bei einer beliebigen Frequenzkomponente angewendet werden. Die Leistung, die für moduliertes Licht mit einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenz erforderlich ist, enthält eine stabile Wiederholungsfrequenz und stabile Lichtstärke.
Industrielle Anwendbarkeit
Wie zuvor beschrieben wurde, kann gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung zur Konzentrationsmessung einer Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium der vorliegenden Erfindung, selbst wenn die Streuungseigenschaften von der Wellenlänge abhängig sind, ein relativer Wert oder ein absoluter Wert der Konzentration einer spezifischen Absorptionskomponente in einem Streuungsmedium mit verschiedenen Grenzbedingungen (Formen) ohne Einschränkung der zu verwendenden Wellenlänge und ohne Einfluss der Wellenlängenabhängigkeit solcher Streuungseigenschaften gemessen werden. Somit kann die Messgenauigkeit deutlich verbessert werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auch eine Änderung im Laufe der Zeit und eine räumliche Verteilung des relativen Wertes oder des absoluten Wertes der Konzentration der spezifischen Absorptionskomponente genau gemessen werden, ohne Einfluss der Wellenlängenabhängigkeit der Streuungseigenschaften.
Aus der vorangehenden Beschreibung der Erfindung ist offensichtlich, dass die Erfindung auf zahlreiche Weisen verändert werden kann. Solche Änderungen sind nicht als Abweichungen vom Umfang der Erfindung anzusehen, und alle derartigen Modifizierungen, die für einen Fachmann augenscheinlich sind, sollen im Umfang der folgenden Ansprüche liegen.

Claims

Konzentrationsmessverfahren für eine absorbierende Komponente in einem Streuungsmedium, umfassend: einen Lichterzeugungsschritt zum Erzeugen von mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen, wobei die Lichtstrahlen unterschiedliche Transportstreuungskoeffizienten für ein Streuungsmedium als zu messendes Objekt und ein bekanntes Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten haben; einen Lichteinfallsschritt, der die Lichtstrahlen von einer Lichteinfallsposition in das Streuungsmedium einfallen lässt; einen Fotodetektionsschritt zum Erfassen des Lichtstrahls, der sich im Inneren des Streuungsmediums fortgepflanzt hat, an mindestens einer Fotodetektionsposition, die sich von der Lichteinfallsposition unterscheidet, um wenigstens ein Fotodetektionssignal zu erhalten; einen Parameterdetektionsschritt, um auf der Basis des Fotodetektionssignals eine Lichtstärke und eine mittlere Flugpfadlänge an der Lichtdetektionsposition für jeden der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen zu erfassen; und einen arithmetischen Verarbeitungsschritt zum Berechnen einer Konzentration einer Absorptionskomponente auf der Basis eines vorbestimmten Verhältnisses zwischen dem Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten, der Lichtstärke, der mittleren Flugpfadlänge und einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für die mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jeder der zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein Impulslichtstrahl ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein sinuswellenmodulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente ist, wobei die Lichtstärke aus einer Amplitude eines Signals mit der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente berechnet wird, das in dem Fotodetektionssignal enthalten ist, und die mittlere Flugpfadlänge aus einer Phasenverzögerung eines Signals mit der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein sinuswellenmodulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente ist, wobei die Lichtstärke aus einer Gleichstromkomponente des Fotodetektionssignal berechnet wird, und die mittlere Flugpfadlänge aus einer Phasenverzögerung des Signals mit der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente berechnet wird, das in dem Fotodetektionssignal enthalten ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein modulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente ist, wobei die Lichtstärke aus einer Amplitude eines Signals mit der vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente oder einer Frequenzkomponente eines ganzzahligen Vielfachen davon berechnet wird, das in dem Fotodetektionsssignal enthalten ist, und die mittlere Flugpfadlänge aus einer Phasenverzögerung des Signals mit der vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente oder der Frequenzkomponente des ganzzahligen Vielfachen davon berechnet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein modulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente ist, wobei die Lichtstärke aus einer Gleichstromkomponente des Fotodetektionssignal berechnet wird, und die mittlere Flugpfadlänge aus einer Phasenverzögerung eines Signals mit der vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente oder einer Frequenzkomponente eines ganzzahligen Vielfachen davon berechnet wird, das in dem Fotodetektionsssignal enthalten ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das vorbestimmte Verhältnis zwischen dem Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten, der Lichtstärke und der mittleren Flugpfadlänge und der Differenz zwischen den Absorptionskoeffizienten pro Einheit Konzentration der Absorptionskomponente für die mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein Verhältnis ist, das auf Grund der Tatsache abgeleitet wird, dass ein Wert, der durch partielles Differenzieren eines natürlichen Logarithmus der erfassten Lichtstärke durch den Absorptionskoeffizienten gleich der mittleren Flugpfadlänge ist, ohne eine Differenz in der mittleren Flugpfadlänge auf Grund der Differenz im Streuungskoeffizienten zu vernachlässigen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der arithmetische Verarbeitungsschritt das Berechnen der Konzentration der absorbierenden Komponente in dem Streuungsmedium auf der Basis eines Verhältnisses umfasst, dargestellt durch:
wobei V die Konzentration der absorbierenden Komponente ist, ε₁ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₁ ist, ε₂ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₂ ist, <L₁(λ₁)> eine mittlere Flugpfadlänge für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, <L₁(λ₂)> eine mittlere Flugpfadlänge für Licht mit der Wellenlänge λ₂ ist, I₁(λ₁) eine erfasste Lichtstärke für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₁ und der Wellenlänge λ₁ ist, I₁(λ₂) eine erfasste Lichtstärke für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₂ und der Wellenlänge λ₂ ist, k ein Verhältnis (μ_s2'/μ_s1') eines Transportstreuungskoeffizienten μ_s2' für Licht mit der Wellenlänge λ2 zu einem Transportstreuungskoeffizienten μ_s1' für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, und p ein vorbestimmter Wert ist, der 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt.
Verfahren gemäß Anspruch 1 wobei der arithmetische Verarbeitungsschritt das Berechnen der Konzentration der absorbierenden Komponente in dem Streuungsmedium auf der Basis eines Verhältnisses umfasst, dargestellt durch:
wobei V die Konzentration der absorbierenden Komponente ist, ε₁ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₁ ist, ε₂ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₂ ist, <L₁(λ₁)> eine mittlere Flugpfadlänge an einer Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, <L₁(λ2)> eine mittlere Flugpfadlänge an der Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit der Wellenlänge λ₂ ist, <L₂(λ₁)> eine mittlere Flugpfadlänge an einer Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, <L₂(λ₂)> eine mittlere Flugpfadlänge an der Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Wellenlänge λ₂ ist, I₁(λ₁) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₁ und der Wellenlänge λ₁ ist, I₁(λ₂) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₂ und der Wellenlänge λ₂ ist, I₂(λ₁) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Einfallslichtstärke B₁ und der Wellenlänge λ₁ ist, I₂(λ₂) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Einfallslichtstärke B₂ und der Wellenlänge λ₂ ist, k ein Verhältnis (μ_s2'/μ_s1') eines Transportstreuungskoeffizienten μ_s2' für Licht mit der Wellenlänge λ₂ zu einem Transportstreuungskoeffizienten μ_s1' für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, und p ein vorbestimmter Wert ist, der 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt, und q ein vorbestimmter Wert ist, der 0 ≤ q ≤ 1 erfüllt.
Konzentrationsmessvorrichtung für eine absorbierende Komponente in einem Streuungsmedium (20), umfassend eine Lichtquelle (2) zum Erzeugen von mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen, wobei die Lichtstrahlen unterschiedliche Transportstreuungskoeffizienten für ein Streuungsmedium als zu messendes Objekt und ein bekanntes Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten haben; Lichteinfallsmittel, die die Lichtstrahlen von einer Lichteinfallsposition in das Streuungsmedium einfallen lassen; Fotodetektionsmittel (12, 13) zum Erfassen des Lichtstrahls, der sich im Inneren des Streuungsmediums fortgepflanzt hat, an mindestens einer Fotodetektionsposition, die sich von der Lichteinfallsposition unterscheidet, um wenigstens ein Fotodetektionssignal zu erhalten; Parameterdetektionsmittel (15), um auf der Basis des Fotodetektionssignals eine Lichtstärke und eine mittlere Flugpfadlänge an der Lichtdetektionsposition für jeden der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen zu erfassen; und arithmetische Verarbeitungsmittel (36) zum Berechnen einer Konzentration einer absorbierenden Komponente auf der Basis eines vorbestimmten Verhältnisses zwischen dem Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten, der Lichtstärke, der mittleren Flugpfadlänge und einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für die mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei jeder der zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein Impulslichtstrahl ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein sinuswellenmodulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente ist, wobei die Lichtstärke aus einer Amplitude eines Signals mit der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente berechnet wird, das in dem Fotodetektionssignal enthalten ist, und die mittlere Flugpfadlänge aus einer Phasenverzögerung des Signals mit der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente berechnet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein sinuswellenmodulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente ist, wobei die Lichtstärke aus einer Gleichstromkomponente des Fotodetektionssignal berechnet wird, und die mittlere Flugpfadlänge aus einer Phasenverzögerung des Signals mit der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente berechnet wird, das in dem Fotodetektionssignal enthalten ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein modulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente ist, wobei die Lichtstärke aus einer Amplitude eines Signals mit der vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente oder einer Frequenzkomponente eines ganzzahligen Vielfachen davon berechnet wird, das in dem Fotodetektionsssignal enthalten ist, und die mittlere Flugpfadlänge aus einer Phasenverzögerung des Signals mit der vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente oder der Frequenzkomponente des ganzzahligen Vielfachen davon berechnet wird.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei jeder der mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein modulierter Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente ist, wobei die Lichtstärke aus einer Gleichstromkomponente des Fotodetektionssignal berechnet wird, und die mittlere Flugpfadlänge aus einer Phasenverzögerung eines Signals mit der vorbestimmten Wiederholungsfrequenzkomponente oder einer Frequenzkomponente des ganzzahligen Vielfachen davon berechnet wird, das in dem Fotodetektionsssignal enthalten ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das vorbestimmte Verhältnis zwischen dem Verhältnis der Transportstreuungskoeffizienten, der Lichtstärke und der mittleren Flugpfadlänge und der Differenz zwischen den Absorptionskoeffizienten pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für die mindestens zwei Lichtstrahlen vorbestimmter Wellenlängen ein Verhältnis ist, das auf Grund der Tatsache abgeleitet wird, dass ein Wert, der durch partielles Differenzieren eines natürlichen Logarithmus der erfassten Lichtstärke durch den Absorptionskoeffizienten gleich der mittleren Flugpfadlänge ist, ohne eine Differenz in der mittleren Flugpfadlänge auf Grund der Differenz im Streuungskoeffizienten zu vernachlässigen.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei das arithmetische Verarbeitungsmittel die Konzentration der absorbierenden Komponente in dem Streuungsmedium auf der Basis eines Verhältnisses berechnet, dargestellt durch:
wobei V die Konzentration der absorbierenden Komponente ist, ε₁ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₁ ist, ε₂ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₂ ist, <L₁(λ₁)> eine mittlere Flugpfadlänge für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, <L₁(λ₂)> eine mittlere Flugpfadlänge für Licht mit der Wellenlänge λ₂ ist, I₁(λ₁) eine erfasste Lichtstärke für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₁ und der Wellenlänge λ₁ ist, I₁(λ₂) eine erfasste Lichtstärke für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₂ und der Wellenlänge λ₂ ist, k ein Verhältnis (μ_s2'/μ_s1') eines Transportstreuungskoeffizienten μ_s2' für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ zu einem Transportstreuungskoeffizienten μ_s1' für das Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, und p ein vorbestimmter Wert ist, der 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das arithmetische Verarbeitungsmittel die Konzentration der absorbierenden Komponente in dem Streuungsmedium auf der Basis eines Verhältnisses berechnet, dargestellt durch:
wobei V die Konzentration der absorbierenden Komponente ist, ε₁ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₁ ist, ε₂ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit Konzentration der absorbierenden Komponente für Licht mit einer Wellenlänge λ₂ ist, <L₁(λ₁)> eine mittlere Flugpfadlänge an einer Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, <L₁(λ₂)> eine mittlere Flugpfadlänge an der Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit der Wellenlänge λ₂ ist, <L₂(λ₁)> eine mittlere Flugpfadlänge an einer Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, <L₂(λ₂)> eine mittlere Flugpfadlänge an der Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Wellenlänge λ2 ist, I₁(λ₁) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₁ und der Wellenlänge λ₁ ist, I₁(λ₂) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₁ für Licht mit einer Einfallslichtstärke B₂ und der Wellenlänge λ₂ ist, I₂(λ₁) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Einfallslichtstärke B₁ und der Wellenlänge λ₁ ist, I₂(λ₂) eine erfasste Lichtstärke an der Fotodetektionsposition r₂ für Licht mit der Einfallslichtstärke B₂ und der Wellenlänge λ₂ ist, k ein Verhältnis (μ_s2'/μ_s1') eines Transportstreuungskoeffizienten u_s2' für Licht mit der Wellenlänge λ₂ zu einem Transportstreuungskoeffizienten μ_s1' für Licht mit der Wellenlänge λ₁ ist, und p ein vorbestimmter Wert ist, der 0 ≤ p ≤ 1 erfüllt, und q ein vorbestimmter Wert ist, der 0 ≤ q ≤ 1 erfüllt.