SE1150797A1 - Mätanordning för bestämning av alkoholkoncentrationen i vävnad - Google Patents

Abstract

Den föreliggande uppfinningen avser en mätanordning för reflektionsspektroskopisk koncentrationsbestämning av beståndsdelar i kroppsvävnad. För att bland annat öka funktionstillför-litligheten vid vibrationer omfattar den uppfinningsenliga mätanordningen en diodlaser (1) med åtminstone en laserdiod (1a, 1b) och en vågledarstruktur (2), vilken för varje laserdiod (1a, 1b) uppvisar en extern resonator (2a, 2b) med ett våglängdsselektivt element. Därvid kan den av en laserdiod (1a, 1b) alstrade strålningen ledas in i vågledarstrukturen (2) och den motsvarande resonator (2a, 2b) och åter ledas ut från resonatorn (2a, 2b) och vågledarstrukturen (2). Dessutom avser den föreliggande uppfinningen en motsvarande metod samt ett därmed utrustat motorfordon.(Figur 1)

Description

20 25 30 35 Användningen av diodlaser istället för termiska ljuskällor möjliggör på fördelaktigt sätt direkt modulering av strålningsintensiteten och därmed en enkel möjlighet för en Lock-in-Detection för förbättring av signal-brus-förhållandet samt en högre spektral effekttäthet. Därigenom kan i sin tur vid ett oförändrat signal-brus-förhållande mättiden förkortas eller vid en oförändrad mättid signal-brus-förhållandet förbättras. Genom styrningen av strålningen in i vågledar- strukturen kan dessutom på fördelaktigt vis det nödvändiga inbyggnadsutrymmet reduceras väsentligt relativt kända fristrálande lösningar. Dessutom blir mätanordningen till följd av våg- ledarstrukturen väsentligt robustare mot skakningar. Dessutom kan den uppfinningsenliga mätanordningen genom användandet av diodlasern och vàgledarstrukturen utformas mindre och kompaktare än kända fristrålande lösningar och bättre inkapslas eller anordnas i hus.

Genom det valda byggsättet kan mätanordningen dessutom vara robustare mot termisk av- drift, dels eftersom en laserdiod alstrar mindre spillvärme än termiska ljuskällor och dels till följd av att en aktiv temperaturstabilisering av hela mätanordningen, exempelvis vid använd- ning av en peltierkylare, är möjlig till följd av kompaktheten och inkapslingen. Totalt sett kan den uppfinningsenliga anordningen vara mindre, robustare och snabbare än tidigare anord- ningar för mätningen av alkoholkoncentrationen i vävnaden och är därmed exempelvis lämp- lig för användning i en bil.

Inom ramen för en utföringsform av den uppfinningsenliga mätanordningen omfattar mätan- ordningen vidare en första och en andra ljusledare, en mätoptik och en första fotodiod. Där- med kan strålningen ledas ut från vàgledarstrukturen till den första ljusledaren, varvid strål- ningen genom den första ljusledaren och mätoptiken kan överföras till kroppsvävnaden som ska undersökas. Därvid kan den av kroppsvävnaden reflekterade strålningen genom mätop- tiken och den andra ljusledaren överföras till den första fotodioden och mätas av den första fotodioden. Detta innebär fördelen att mätstället på kroppsvävnaden till följd av ljusledaren är oberoende av respektive variabel vad gäller stället för strålningsalstringen och strålnings- mätningen.

Inom ramen för en ytterligare utföringsform av den uppfinningsenliga mätanordningen är di- odlasern och vågstrukturen så utformad och anordnad, att den av diodlasern alstrade strål- ningen är direkt inledningsbar i vàgledarstrukturen, det vill säga utan mellankopplade ytterli- gare komponenter. Till följd av inledningen av diodlasern direkt till vàgledarstrukturen kan på fördelaktigt vis det nödvändiga byggutrymmet reduceras ytterligare, i synenhet relativt kända fristrålande lösningar. 10 15 20 25 30 35 3 Inom ramen för en ytterligare utföringsform av den uppfinningsenliga mätanordningen är det våglängdsselektiva elementet utformat för inställning av strålningsvåglängden, företrädesvis över hela förstärkningsbandbredden. På detta sätt kan mätnoggrannheten förbättras och antalet genom mätanordningen bestämbara beståndsdelar ökas.

Inom ramen för en ytterligare utföringsform av den uppfinningsenliga mätanordningen omfat- tar eller är det våglängdsselektiva elementet ett mikro- eller nanostrukturerat byggelement, i synnerhet ett så kallat MEMS (engelska: ”Micro Electro Mechanical System”) och/eller MO- EMS (engelska: "Micro Opto Mechanical System”). Ett "mikro- eller nanostrukturerat byggelement" kan enligt föreliggande uppfinning i synnerhet vara ett byggelement med inter- na strukturmått i området 1 z nm till s 200 um. Med "interna strukturmått” avses härvid i syn- nerhet mått hos strukturer inom byggelementet, exempelvis strävor, steg eller ledarbanor.

Genom användandet av mikro- eller nanostrukturerade byggelement för våglängdsselekte- ring kan på fördelaktigt vis det nödvändiga byggrummet reduceras ytterligare, i synenhet relativt kända fristrålande lösningar. Dessutom blir mätanordningen genom användningen av våglängdsselektiva element baserade på mikro- eller nanostrukturerade byggelement betyd- ligt robustare mot vibrationer och kan utformas mindre än kända fristrålande lösningar.

Det våglängdsselektiva elementet kan positioneras såväl i resonatorn som vid resonatorän- den. lnom ramen för en utföringsform av den uppfinningsenliga mätanordningen omfattar det våg- längdsselektiva elementet ett brytningsgaller eller en Fabry-Pérot-interferometer eller en eta- lon, i synnerhet en vid vilken våglängdsselektionen eller löpvägen för den optiska strålningen är inställbar genom åtminstone ett kapacitivt, induktivt och/eller piezoelektriskt styrt mikro- eller nanostrukturerat byggelement. Exempelvis kan det vàglängdsselektiva elementet omfat- ta ett brytningsgaller, vilkets inriktning kan ställas in genom åtminstone ett kapacitivt, induk- tivt och/eller piezoelektriskt styrt mikro- eller nanostrukturerat byggelement. Eller kan det våglängdsselektiva elementet omfatta en Fabry-Pérot-interferometer, vid vilken de reflektiva ytornas avstånd kan ställas in genom åtminstone ett kapacitivt, induktivt och/eller piezoelekt- riskt styrt mikro- eller nanostrukturerat byggelement. Eller kan det våglängdsselektiva ele- mentet omfatta en etalon, vid vilken den optiska vägen mellan de reflektiva ytorna respektive deras inriktning kan ställas in genom åtminstone ett kapacitivt, induktivt och/eller piezoelekt- riskt styrt mikro- eller nanostrukturerat byggelement. Ett brytningsgaller som våglängdsselek- tivt elementet kan i synnerhet vara positionerat vid resonatoränden, i synnerhet i Littmann- konfiguration. En Fabry-Pérot-interferometer eller en etalon som våglängdsselektivt elemen- tet kan i vara positionerat i resonatorn. 10 15 20 25 30 35 Företrädesvis uppvisar den externa resonatorn en Littmann- eller Littrow-konfiguration. Ge- nom en Littrow-konfiguration kan på fördelaktigt vis en laserdiod inställas över 150 nm.

I synnerhet kan Iaserdioderna uppvisa en speglad ändfacett och vara positionerade framför vàgledarstrukturen så att den alstrade strålningen direkt kan ledas in i vågledarstrukturen.

I synnerhet kan Iaserdioderna alstra Iaserstrålning i ett område mellan 2 1800 nm och s 2500 nm. Detta vàglängdsomràde är särkskilt lämpligt för bestämning av alkoholkoncentrationen i kroppsvävnad.

Laserdioderna kan exempelvis vara gallium-antimonbaserade laserdioder, exempelvis en (A|Galn)!(AsSb)-baserad laserdiod, exempelvis GalnAsSb/AlGaAsSb-laserdioder. lnom ramen för en utföringsform av den uppfinningsenliga mätanordningen omfattar diodla- sern åtminstone två, i synnerhet tre, olika laserdioder. På detta sätt kan på fördelaktigt vis samtidigt eller tidsförskjutet Iaserstrålning av olika våglängd alstras. Allt efter önskad spektral bandbredd och nödvändig spektral effekttäthet kan strålningen från två eller fler olika laser- dioder kombineras genom vàgledarstrukturen. Exempelvis kan genom en kombination av strålningen från Iaserdioderna totalt ett vàglängdsomràde på från åtminstone 2 2100 nm till s 2400 nm täckas. I synnerhet kan strålningen därvid inställas i våglängden i det spektrala om- rådet från åtminstone 2 2100 nm till s 2400 nm. lnom ramen för en utföringsform av den uppfinningsenliga mätanordningen är förstärknings- bandbredderna hos de enskilda Iaserdioderna utvalda så att genom en kombination av samt- liga laserdioder kan ett våglängdsområde på från 2 2100 nm till s 2400 nm täckas. Detta vàglängdsomràde är särskilt fördelaktigt för bestämning av alkoholkoncentrationen i kropps- vävnad.

Företrädesvis är vàgledarstrukturen en kiselbaserad struktur. Sådana strukturer är på fördel- aktigt vis relativt okånsliga vad gåfler vibrationer och temperatursvängningar. lnom ramen för en utföringsform av den uppfinningsenliga mätanordningen är vàgledarstruk- turen utformad så att de respektive laserdiodernas strålning först kan inledas separerade från varandra i den till respektive laserdiod hörande resonatorn och den från resonatorerna utgående strålningen, i synnerhet från samtliga laserdioder, kan samlas ihop i ett knippe. 10 15 20 25 30 35 Inom ramen för en utföringsform av den uppfinningsenliga mätanordningen är vågledarstru- ken utformad så att strålningen är separerbar efter resonatorn och i förekommande fall efter ihopsamlingen av strålningen respektive strålgångarna från de enskilda laserdioderna, varvid en del av strålningen kan ledas ut i den första Ijusledaren och en andra del av strålningen kan överföras till en andra fotodiod och mätas av den andra fotodioden. Genom jämförelse av den uppmätta reflekterade strålningen men en sådan referensstrålning kan på fördelaktigt vis mätnoggrannheten ökas relativt mätanordningar som uteslutande använder sparade emissionsuppgifter om laserdioderna.

Företrädesvis är första och/eller andra fotodiod en kyld fotodiod, i synnerhet peltierelement- kyld fotodiod. lsynnerhet kan är första och/eller andra fotodiod en lnGaAs-fotodiod.

Den första och andra Ijusledaren kan omfatta eller bestå av exempelvis glasfibrer och/eller polymera optiska fibrer.

Ett ytterligare föremål för den föreliggande uppfinningen är en metod för reflektionsspektro- skopisk koncentrationsbestämning av beståndsdelar i kroppsvävnad, i synnerhet för bestäm- ning av alkoholkoncentrationen i kroppsvävnad, i synnerhet med en uppfinningsenlig anord- ning. Metoden innefattar metodstegen: - alstrande av strålning genom åtminstone en laserdiod, varvid strålningsvåglängden steg- vis eller kontinuerligt, exempelvis genom en resonator, ställs in i synnerhet i ett område på 2 2100 nm till s 2400 nm; - instràlning av strålningen i kroppsvävnaden som ska undersökas; - mätning av intensiteten i den från kroppsvävnaden reflekterade strålningen avhängigt strålningsvåglängden; och - bestämning av koncentrationen av åtminstone en beståndsdel i kroppsvävnaden från de erhållna uppgifterna.

Strålningen kan därvid alstras genom två eller fler olika laserdioder samtidigt eller efter var- andra. l överensstämmelse därmed kan flera strålningsvåglängder samtidigt eller efter var- andra ställas in kontinuerligt eller stegvis.

Vad gäller ytterligare särdrag och fördelar hänvisas härmed explicit till förklaringarna i sam- band med den uppfinningsenliga mätanordningen. 10 15 20 25 30 35 6 Ett ytterligare föremål för den föreliggande uppfinningen är ett motorfordon vilket omfattar en uppfinningsenlig mätanordning eller en mätanordning som genomför den uppfinningsenliga metoden.

Figurer och exempel Ytterligare fördelar och fördelaktiga utformningar av uppfinningsföremålen åskådliggörs ge- nom figuren och förklaras i den efterföljande beskrivningen. Därvid ska beaktas att figuren endast har beskrivande karaktär och inte är avsedd att på något sätt inskränka uppfinningen.

Där visar figur 1 ett schematiskt tvärsnitt genom en utföringsform av en uppfinningsenlig mätan- ordning.

Figur 1 visar en utföringsform av en uppfinningsenlig mätanordning för reflektionsspektro- skopisk koncentrationsbestämning av beståndsdelar i kroppsvävnad. Figur 1 visar att mät- anordningen omfattar en diodlaser 1 med två olika laserdioder 1a, 1b och en vågledarstruk- tur 2. Figur 1 illustrerar att vågledarstrukturen 2 för varje laserdiod 1a, 1b uppvisar en extern resonator 2a, 2b med ett våglängdsselektivt element (inte visat). Vidare visar figur 1 att mät- anordningen omfattar en första 3 och andra 6 ljusledare, en mätoptik 4 och en första fotodiod 7a. Därvid kan diodlasern 1, vågledarstrukturen 2 och fotodioderna vara integrerade i ett hus, vilket via den första 3 och andra ljusledaren 6 är förbundet med mätoptiken 4.

Figur 1 åskådliggör att den i laserdioderna 1a, 1b alstrade strålningen kan ledas in i vågle- darstrukturen 2 och den till respektive laserdiod 1a, 1b hörande resonatorn 2a, 2b och åter ledas ut från resonatorn 2a, 2b och vågledarstrukturen 2. I synnerhet visar figur 1 att den av de båda laserdioderna 1a, 1b alstrade strålningen direkt och separerat från varandra leds in i vågledarstrukturen 2. I vågledarstrukturen 2 leds strålningen vidare separerade från varandra till respektive laserdiod 1a, 1b hörande resonator 2a, 2b och vidare separerade från varandra ut från resonatorn 2a, 2b. Figur 1 visar att vågledarstrukturen 2 också är så utformad att de båda laserdiodernas 1a, 1b strålning eller strålgångar samlas ihop efter ledningen ut ur de enskilda resonatorerna 2a, 2b.

Figur 1 åskådliggör att vågledarstrukturen 2 också är så utformad att strålningen efter reso- natorerna 2a, 2b och efter ihopsamlingen av strålningen eller strålgångarna åter separeras på så sätt, att huvuddelen av strålningen kan ledas in i en första ljusledare 3, via vilken strål- 10 15 ningen kan överföras till kroppsvävnaden som ska undersökas och slutningen till den första fotodioden, varvid en andra del av strålningen kan överföras till en andra fotodiod 7b.

Figur 1 visar att därvid leds genom den första ljusdioden 3 in till mätoptiken 4, via vilken strålningen instrålas till kroppsvävnaden som ska undersökas respektive till mätstället i väv- naden 5, och den från vävnaden reflekterade strålningen leds in i den andra ljusledaren 6.

Detta kan exempelvis ske via ett linssystem 4a, 4b och/eller andra optiska element. Via den andra ljusledaren 6 kan denna strålning sedan överföras till den första fotodioden 7a. På det- ta sätt mäter den första fotodioden 7a den reflekterade strålningen, varvid den andra fotodio- den 7b mäter den ursprungliga strålningen som inte reflekterats i kroppsvävnaden, vilken kan anlitas för kalibrering av den första fotodiodens 7a mätresultat. Under en mätning kan genom användning av de olika laserdioderna la, 1b och deras externa resonatorer, i synnerhet de våglängdsselektiva elementen hos resonatorerna, våglängderna stegvis eller kontinuerligt ställas in i spektralområdet, exempelvis från 2100 nm till 24 nm, och den i vävnaden reflekte- rade intensiteten detekteras avhängigt våglängden. Så bestäms vävnadens reflektionsspekt- rum, ur vilket sedan alkoholkoncentrationen eller andra beståndsdelar i vävnaden kan beräk- H85.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 Patentkrav 1. Mätanordning för reflektionsspektroskopisk koncentrationsbestämning av beståndsdelar i kroppsvävnad, i synnerhet för bestämning av alkoholkoncentrationen i kroppsvävnad, in- nefattande - en diodlaser (1) med åtminstone en laserdiod (1a, 1b) och - en vågledarstruktur (2), vilken för varje laserdiod (1a, 1b) uppvisar en extern resona- tor (2a, 2b) med ett våglängdsselektivt element, varvid vågledarstrukturen (2) är så utformad och anordnad, att respektive från diodla- serns (1) Iaserdioder (1a, 1b) alstrad strålning kan ledas in i till respektive laserdiod (1a, 1b) hörande resonator (2a, 2b) och efter passage genom resonatorn (2a, 2b) åter ledas ut. Mätanordning enligt krav 1, kännetecknad av att måtanordningen vidare innefattar - en första och en andra ljusledare (3, 6), - en mätoptik (4) och - en första fotodiod (7a), varvid strålningen kan ledas från vàgledarstrukturen (2) till den första ljusledaren (3), varvid strålningen kan överföras genom den första ljusledaren (3) och mätoptiken (4) till kroppsvävnaden (5) som ska undersökas, varvid den av kroppsvävnaden (5) reflekterade strålningen genom mätoptiken (4) och den andra ljusledaren (6) kan överföras till den första fotodioden (7a) och mätas av den första fotodioden (7a). Mätanordning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att diodlasern (1) och vågledarstruk- turen (2) är så utformade och anordnade att den av diodlasern (1) alstrade strålningen kan inledas direkt i vågledarstrukturen (2). Mätanordning enligt något av kraven 1 till 3, kännetecknad av att det våglängdsselektiva elementet är utformat för inställning av strålningsvåglängden. Mätanordning enligt något av kraven 1 till 4, kännetecknad av att det våglängdsselektiva elementet omfattar ett mikro- eller nanostrukturerat byggelement, i synnerhet ett MEMS och/eller MOEMS. Mätanordning enligt något av kraven 1 till 5, kännetecknad av att det våglängdsselektiva elementet omfattar ett brytningsgaller eller en Fabry-Pérot-interferometer eller en etalon, i 10 15 20 25 30 35 10. 11. 12. synnerhet vid vilken våglängdsselektionen är inställbar genom åtminstone ett kapacitivt, induktivt och/eller piezoelektriskt styrt mikro- eller nanostrukturerat byggelement. Mätanordning enligt något av kraven 1 till 6, kännetecknad av att diodlasern (2) omfattar åtminstone två olika laserdioder (1a, 1b). Mätanordning enligt något av kraven 1 till 7, kännetecknad av att förstärkningsbandbred- derna hos de enskilda laserdioderna (1a, 1b) är valda så att genom en kombination av samtliga laserdioder (1a, 1b) täcks ett våglängdsområde på från 2 2100 nm till s 2400 Hm. Mätanordning enligt något av kraven 1 till 8, kännetecknad av att vågledarstrukturen (2) är utformad så att laserdiodernas (1a, 1b) strålning först kan inledas separerade från var- andra i den till respektive laserdiod hörande resonatorn (2a, 2b) och strålningen ut från resonatorerna (2a, 2b) kan samlas ihop. Mätanordning enligt något av kraven 1 till 9, kännetecknad av att vågledarstrukturen (2) är utformad så att strålningen kan separeras efter resonatorn (2a, 2b) och i förekomman- de fall efter ihopsamlingen av de enskilda laserdiodernas (1a, 1b) strålning, varvid en del av strålningen kan ledas till den första ljusledaren (3) och en annan del av strålningen kan överföras till en andra fotodiod (7b) och mätas av den andra fotodioden (7b). Metod för reflektionsspektroskopisk koncentrationsbestämning av beståndsdelar i kroppsvävnad, i synnerhet för bestämning av alkoholkoncentrationen i kroppsvävnad, i synnerhet med en mätanordning enligt något av kraven 1 till 10, innefattande metodste- gen: - alstrande av strålning genom åtminstone en laserdiod (1a, 1b), varvid strålningsvåg- längden stegvis eller kontinuerligt, exempelvis genom en resonator (2, 2b), ställs in i synnerhet i ett område på 2 2100 nm till s 2400 nm; - instrålning av strålningen i kroppsvävnaden (5) som ska undersökas; - mätning av intensiteten i den från kroppsvävnaden (5) reflekterade strålningen av- hängigt strålningsvåglängden; och - bestämning av koncentrationen av åtminstone en beståndsdel i kroppsvävnaden (5) från de erhållna uppgifterna. Motorfordon omfattande en mätanordning enligt något av kraven 1 till 10 eller en mätan- ordning som genomför en metod enligt krav 11.