DE69738173T2

DE69738173T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Informationen über die optische Absorption eines streuenden Mediums

Info

Publication number: DE69738173T2
Application number: DE69738173T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Hamamatsu-shi Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2017-08-30
Also published as: US5983121A; US6236871B1; EP0826958A2; DE69738173D1; JPH1073481A; US6233470B1; US6240305B1; EP0826958B1; EP0826958A3; JP3844815B2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer zeitlichen Änderung oder einer räumlichen Verteilung einer Konzentration eines absorptiven Bestandteils in einem streuenden Medium, welches nichteinspringende Oberflächen aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Konzentration eines absorptiven Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums durch Verwenden von Licht mehrerer Wellenlängen.
STAND DER VERWANDTEN TECHNIK
Es besteht ein sehr starker Bedarf an nicht-invasiven und präzisen Messungen von Absorptionsinformation, umfassend eine Konzentration eines spezifischen absorptiven Bestandteils innerhalb eines streuenden Mediums, wie eines lebenden Körpers, eine zeitliche Änderung oder eine räumliche Verteilung desselben und so weiter. Ansätze unterschiedlicher Verfahren werden bis heute unternommen, umfassend Verfahren, welche Dauerstrichlicht (CW-Licht) verwenden, sowie moduliertes Licht (zum Beispiel gepulstes Licht, Rechteckwellenlicht, sinusmoduliertes Licht, usw.), Verfahren, welche Licht unterschiedlicher Wellenlängen (Mehrwellenlängen-Spektroskopie) nutzen und so weiter.
Diese konventionellen Technologien haben allerdings noch keine Verfahren und Vorrichtungen entwickelt, welche in der Lage sind, die Konzentration des spezifischen absorptiven Bestandteils im Inneren zu messen, für Gewebe und Organe, welche verschiedene Formen aufweisen, wie der lebende Körper, oder für Objekte, welche individuelle Formunter schiede aufweisen, wenngleich es sich um Gewebe oder Organe derselben Art handelt. Das stellt bei nicht-invasiven Messungen am lebenden Körper, welche Licht benutzen, ein ernstes Problem dar, und Verbesserungen hierbei sind stark erwünscht.
In das streuende Medium, wie den lebenden Körper, einfallendes Licht breitet sich im Inneren aus, sowie es darin gestreut und absorbiert wird, und danach tritt ein Teil desselben aus seiner Oberfläche aus. Da die äußere Umgebung des streuenden Mediums normalerweise Luft ist, wird das Licht, welches aus der Oberfläche austritt, im freien Raum verteilt. Das Licht, welches, wie oben beschrieben, aus der Oberfläche austritt, wird in Messungen interner Information des streuenden Mediums detektiert. Zu dieser Zeit verbreitet sich das sich ausbreitende Licht durch den gesamten Bereich des streuenden Mediums und wird, von der gesamten Oberfläche aus, nach außen verteilt. Daher variiert, wenn das ausgetretene Licht an einer spezifischen Position an der Oberfläche detektiert wird, die Menge oder eine zeitaufgelöste Wellenform des detektierten Lichts bedeutend, mit Änderung in der Form des Mediums, zum Beispiel abhängig davon, ob es sich um eine Kugel oder ein rechtwinkeliges Parallelepiped handelt.
Um die Messgenauigkeit in den oben beschriebenen Fällen zu verbessern, ist es notwendig, das Verhalten von Licht innerhalb des streuenden Mediums ausreichend zu verstehen. Derzeit wird das Verhalten von Licht innerhalb des streuenden Mediums analysiert, getestet oder erforscht, durch Monte-Carlo-Simulation, mit einem Computer. Es ist auch bekannt, dass das Verhalten, bis zu einem gewissen Grad genau, durch die Photonendiffusionstheorie beschrieben und analysiert werden kann. Die Monte-Carlo-Simulationen erfordern allerdings eine extrem lange Berechnungszeit und lassen Berechnung einer Konzentration eines spezifischen absorptiven Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums aus ihren Resultaten nicht zu. Bei Verwenden der Photonendiffusionstheorie ist es notwendig, Randbedingungen zu setzen, zum Lösen der Photonendiffusionsgleichung. Da sich allerdings die Randbedingungen bedeutend unterscheiden, abhängig von der Form des streuenden Mediums, müssen neue Randbedingungen gesetzt werden, um die Photonendiffusionsgleichung zu lösen, für jede Änderung in der Form des streuenden Mediums, um genaue Messung zu erreichen. Streuende Medien, für welche die Randbedingungen zu einem gewissen Grad genau gesetzt werden können, beschränken sich auf sehr einfache Formen, wie etwa einen unendlichen Raum, einen Halbraum, einen unendlichen Zylinder, oder eine Platte, welche unendliche Ausdehnung und eine endliche Dicke aufweist. Als Resultat ist ein Verwenden genäherter Randbedingungen unerlässlich für Messungen an lebendem Gewebe, welches komplizierte Formen aufweist, was eine Ursache dafür ist, dass bedeutende Messfehler herbeigeführt werden.
Die obigen Probleme sind auch, zum Beispiel, in der aktuellen Literatur erörtert: Albert Cerussi et al., "The Frequency Domain Multi-Distance Method in the Presence of Curved Boundaries", in: Biomedical Optical Spectroscopy and Diagnostics, 1996, Technical Digest (Optical Society of America, Washington DC, 1996), S. 24–26.
US-Patentschrift 5,122,974 betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Beobachten von Photonenmigration, unter Verwendung von Signalmodulationstechniken, wie etwa Zeit-, Frequenz- und Phasenmodulation. Die Photonenmigrationsdaten können danach umgewandelt werden, unter Verwendung der Prinzipien zeitaufgelöster Spektroskopie, um die Konzentration eines absorptiven Bestandteils in einem streuenden Medium zu bestimmen, wie etwa die Konzentration von Hämoglobin in einem Gehirn oder in anderem Gewebe.
US-Patentschrift 5,424,832 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für qualitative und quantitative optische Messungen, unter Verwendung von mehrfacher Lichtstreuung, um ein Sample mit einem modulierten Laserstrahl zu bestrahlen. Der Lichtstrahl ist bei einer Grundfrequenz und mehreren ganzzahligen Oberfrequenzen derselben moduliert. Moduliertes Licht wird aus dem Sample zurückgegeben und vorzugsweise bei Überlagerungsfrequenzen detektiert, bei leicht höheren Frequenzen als die Grundfrequenz, und bei ganzzahligen Oberfrequenzen derselben. Die empfangene Lichtausstrahlung wird mit einem Referenzsignal verglichen, um ein Maß vorzusehen, für die Phasenverzögerung der Lichtausstrahlung und das Modulationsverhältnis, relativ zu dem Referenzstrahl. Auf diese Weise werden die Absorptions- und Streukoeffizienten gemeinsam mit einer Konzentration der aktiven Substanz in dem Sample bestimmt.
Wie oben beschrieben, gibt es noch keine Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation, welche ausreichen, um systematisch auf streuende Medien unterschiedlicher Formen angewendet zu werden, und es war für die konventionellen Technologien extrem schwierig, genau und effizient die Konzentration eines spezifischen absorptiven Bestandteils, oder von Ähnlichem, in den streuenden Medien unterschiedlicher Formen systematisch zu messen.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist angesichts der Probleme in den oben beschriebenen konventionellen Technologien geleistet worden, und eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren neu zu offenbaren, zum Beschreiben des Verhaltens von Licht innerhalb der streuenden Medien unterschiedlicher Formen (Basisbeziehungen), und ein Messverfahren und eine Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation innerhalb des streuenden Mediums vorzulegen, welche Messungen von Änderung, absolutem Wert, oder von Ähnlichem, der Konzent ration eines spezifischen absorptiven Bestandteils in den streuenden Medien verschiedener Formen durch Verwenden der Beziehungen verwirklichen, welche die Messgenauigkeit derselben bedeutend verbessern, und welche in der Lage sind, eine zeitliche Änderung oder eine räumliche Verteilung derselben effizient zu messen.
Gemäß der Erfindung werden Verfahren und Vorrichtungen vorgelegt, zum Messen von Absorptionsinformation gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
In den Verfahren der vorliegenden Erfindung kann, unter Verwendung der Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten, eine Differenz der Konzentration eines absorptiven Bestandteils quantifiziert werden, auf Basis einer vorbestimmten Beziehung, zwischen dieser Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten, einem Absorptionskoeffizienten pro Einheit der Konzentration des absorptiven Bestandteils und der Differenz der Konzentration des absorptiven Bestandteils.
In dem zweiten Arithmetik-Abschnitt einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann, unter Verwendung der Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten, eine Differenz der Konzentration eines absorptiven Bestandteils berechnet werden, auf Basis einer vorbestimmten Beziehung, zwischen dieser Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten, einem Absorptionskoeffizienten pro Einheit der Konzentration des absorptiven Bestandteils und der Differenz der Konzentration des absorptiven Bestandteils.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der im hier Folgenden gebrachten ausführlichen Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen vollständiger zu verstehen sein, welche ausschließlich zur Illustrationen gebracht werden und nicht als die vorliegende Erfindung limitierend zu erachten sind.
Der weitere Anwendbarkeitsbereich der vorliegenden Erfindung wird anhand der im hier Folgenden gegebenen Beschreibung deutlich. Allerdings versteht sich, dass die ausführliche Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung angeben, ausschließlich zur Illustration gebracht sind, denn verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung werden in Fachkreisen anhand dieser ausführlichen Beschreibung zu erkennen sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung, um die Bahn des Photons zu zeigen, nach Ausbreitung innerhalb des streuenden Mediums.
2 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus der Vorrichtung in der ersten Ausführungsform, gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 ist ein Diagramm, um die Absorptionsspektren von Hämoglobin und Myoglobin zu zeigen.
4A, 4C und 4E sind schematische Darstellungen, von denen jede ein Verfahren zum Erzeugen sinusförmig modulierten Lichts zeigt.
4B, 4D und 4F sind schematische Diagramme, von denen jedes sinusförmig moduliertes Licht zeigt, welches durch ein Verfahren erzeugt ist, gezeigt in 4A, 4C oder 4E.
5A, 5B, 5C und 5D sind schematische Darstellungen, von denen jede ein Verfahren zum Einfallenlassen von Licht in das streuende Medium zeigt.
6A, 6B und 6C sind schematische Darstellungen, von denen jede ein Verfahren zum Empfangen von Licht zeigt.
7 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus der Vorrichtung in der zweiten Ausführungsform, gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus der Vorrichtung in der dritten Ausführungsform, gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus der Vorrichtung in der vierten Ausführungsform, gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus des Lichteinfalls-Abschnitts und Detektionsabschnitts der Vorrichtung, in der vierten Ausführungsform.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Prinzip der vorliegenden Erfindung)
Zuerst ist das Prinzip der vorliegenden Erfindung beschrieben. Das im Folgenden beschriebene Wissen ist eines, das durch eben diesen Erfinder erstmals offenbart ist.
Verschiedene Bestandteile in einem lebenden Gewebe sind mikroskopisch inhomogen gemischt, d. h. sie sind lokalisiert. In Anbetracht der Spektralanalyse lebenden Gewebes, allerdings, vom medizinischen und biologischen Standpunkt aus, ist in den meisten Fällen Genüge getan durch Quantifizieren eines spezifischen Bestandteils, welcher in dem lebenden Gewebe enthalten ist, von einem optischen Charakteristikum aus, in der makroskopischen Sicht komplexen lebenden Gewebes, d. h. von einem Messwert aus, welcher als ein Mittelwert gemessen wird. Dieser Gedanke ist in der Impulsantwort und Systemfunktion der Black Box in der linearen Systemtheorie zu finden. Betrachten wir nun im Folgenden ein derartiges Beispiel, in dem ein homogenes streuendes Medium angenommen ist, Licht an einer Oberfläche desselben einfallen gelassen wird, Licht, welches sich im Inneren des streuenden Mediums ausgebreitet hat, an einer anderen Position empfangen wird, um ein Messsignal zu erhalten, und eine Konzentration eines im Inneren enthaltenen absorptiven Bestandteils von dem Messsignal aus quantifiziert wird. In diesem Fall sind die Konturen des streuenden Mediums als jene angenommen, welche nicht-einspringende Oberflächen aufweisen; das heißt, das Medium ist von einer beliebigen Form, welche diffuses Licht, welche aus dem Medium austritt, davon abhält, wieder in das Medium einzutreten. Ferner ist angenommen, dass das einfallende Licht eines ist, welches eine beliebige zeitaufgelöste Wellenform aufweist. In diesem Fall kann das einfallende Licht der beliebigen zeitaufgelösten Wellenform ausgedrückt werden, wie deutlich wird aus dem Fourier-Transformationsprinzip, durch Überlagerung von Lichtkomponenten, moduliert bei verschiedenen Frequenzen, und daher ist die folgende Erörterung vom Aspekt der Frequenz aus zu führen, wobei das einfallende Licht als von einer beliebigen Modulationsfrequenz zu betrachten ist.
1 zeigt ein Beispiel einer Bahn eines detektierten Photons, nach Ausbreitung innerhalb eines streuenden Mediums oder eines streuenden absorptiven Körpers. Das Licht wird stark durch streuende Bestandteile gestreut, sodass der optische Weg des Photons in einem Zickzackmuster gekrümmt ist. Zu dieser Zeit gilt das Lambert-Beer'sche Gesetz für die Zickzack-Flugweglänge, und die Intensität des sich ausbreitenden Lichts wird exponentiell abgeschwächt, gegenüber der Zickzack-Flugweglänge (kumulative Länge). Die Flugweglänge (Länge des optischen Wegs) ist nämlich gegeben durch 1 = ct, wobei c die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium ist, und t die Flugzeit ist, und die Durchtrittsrate des Photons ist gegeben durch exp(–cμ_at), wobei μ_a der Absorptionskoeffizient ist. Wenn das Licht (der Lichtstrahl) an einer Position P einfällt und an einer Position Q detektiert wird, werden Photonen detektiert, welche durch verschiedene optische Wege gegangen sind, und die Menge detektierten Lichts, welche die Summe dieser Photonen ist, was die Durchtrittsrate darstellt, ist proportional zu exp(–cμ_at).
Entsprechend ist Lichtaustritt h(t), erhalten bei Einfall von Impulslicht in das streuende Medium, was die Impulsantwort ist, wie folgt gegeben. h(t) = J(μs, μa, t) = s(μs, t)exp(–cμat) (1.1) ln J(μs, μa, t) = ln s(μs, t) – cμat (1.2)
Hier ist J ein Term, welcher die Impulsantwort darstellt, oder das ausgetretene Licht, s(μ_s, t) ein Term, welcher eine Antwort darstellt, wenn der Absorptionskoeffizient μ_a = 0 (was eine Antwort ist, wo es nur Streuung gibt), und der Term des Exponenten exp(–cμ_at) ein Term, welcher Abschwächung repräsentiert, auf Grund des Absorptionskoeffizienten μ_a. Alle diese Funktionen sind zeitkausale Funktionen, welche Null werden, wenn t < 0. Ferner ist μ_s der Streukoeffizient.
Die Fourier-Transformation von Impulsantwort h(t) gibt die Systemfunktion an. In Anbetracht der Fourier-Transformation von Gl. (1.1), unter Berücksichtigung dessen, dass die Impulsantwort h(t) die zeitkausale Funktion ist, können wir die folgende Systemfunktion H(ω) ableiten. H(ω) = H(μs, μa, ω) = ∫h(t)exp(–j ωt)dt = R(cμa, ω) + jX(cμa, ω) = A(cμa, ω)exp[jΦ(cμa, ω)] (2)
Hier sind R(cμ_a, ω) und X(cμ_a, ω) jeweils der reale Teil (Sinuskomponente) und der imaginäre Teil (Kosinuskomponente), und A(cμ_a, ω) und Φ(cμ_a, ω) sind jeweils die Amplitude und die Phase. Eine Phasenverzögerung ist die Phase mit dem entgegengesetzten Vorzeichen.
Danach werden durch Substituieren von Gl. (1.1) in Gl. (2) und durch Umformen die folgenden Gleichungen hergeleitet. Diese Gleichungen werden als die Cauchy-Riemann'schen Gleichungen bezeichnet, in der Theorie komplexer Funktionen.
Es kann ferner bewiesen werden, dass die folgenden Beziehungen ebenfalls gelten, wenn Gl. (3.1) und Gl. (3.2) gelten.
Zum Berechnen des Absorptionskoeffizienten μ_a, was die primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, kann irgendeine der Gl. (3.1) bis (4.2) verwendet werden. Konkret wird es bevorzugt, Integrationen dieser Gleichungen über μ_a zu verwenden, d. h. die folgenden Gleichungen, ermittelt aus den obigen Gleichungen.
Hier sind die zweiten Terme auf der rechten Seite von Gl. (5.1) bis (5.4) Integrationskonstanten, von denen jede einen Wert bei μ_a = 0 angibt. Unten beschrieben finden sich Verfahren zum Berechnen von Information, welche Absorption betrifft, aus gemessenen Werten, durch Verwenden von Gl. (5.1) bis (5.4).
(Messungen der Konzentrationsänderung eines absorptiven Bestandteils)
Betrachten wir einen Fall, wobei ein Medium eine Art eines absorptiven Bestandteils enthält, und der Absorptionskoeffizient μ_a desselben sich von μ_a1 zu μ_a2 geändert hat, mit Änderung der Konzentration desselben. Angenommen, Gleichungen (5.1) bis (5.4) gelten vor und nach der Änderung, und s(μ_s, t) ist vor und nach der Änderung invariant, so werden die folgenden Gleichungen hergeleitet, unter Verwendung von μ_a1 und μ_a2 vor und nach der Änderung.
Bei normalen streuenden Medien kann davon ausgegangen werden, dass die Streucharakteristika sich nicht mit Ände rung der Konzentration des absorptiven Bestandteils ändern. Das ist einfach so, als wäre Tinte mit Milch gemischt.
Als Nächstes werden, unter Anwendung des Mittelwertsatzes, die folgenden Gleichungen aus Gl. (6.1) bis (6.4) erhalten.
Hier bezeichnet μ_xi (i = 1, 2, 3, 4) einen geeigneten Wert, welcher die Bedingung μ_a1 ≤ μ_xi ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_xi ≥ μ_a2 erfüllt.
Das Obige veranschaulicht, dass wir, sobald wir die Modulations-Winkelfrequenz ω von moduliertem Licht, welches in der Messung verwendet wird, und die Steigungen der vier Parameter ∂X/∂ω, ∂R/∂ω, ∂Φ/∂ω, ∂lnA/∂ω bei μ_a = μ_xi kennen, die Differenz zwischen den Absorptionskoeffizienten vor und nach der Änderung berechnen können, μ_a2 – μ_a1, aus den Werten von X, R, A, Φ vor und nach der Änderung (welche alle aus beobachteten Werten erhalten werden können), und den Wert von c, bestimmt durch den Brechungsindex des Mediums und die Geschwindigkeit des Lichts in demselben.
In dem obigen Fall können die obigen Steigungen der vier Parameter B_i(i = 1, 2, 3, 4) bei μ_a = μ_xi, ∂B₁/∂ω|μ_xi, wie folgt ausgedrückt werden, unter Verwendung der Steigungen bei μ_a1 und bei μ_a2.
Hier ist p_i ein geeigneter Wert, welcher die Bedingung 0 ≤ p_i ≤ 1 erfüllt. In diesem Fall kann, da B_i monotone Funktionen sind, und die Steigungen bei μ_a1 und bei μ_a2 normalerweise beinahe gleich sind, p_i = 1/2 angenommen werden.
Ferner können Steigungen der vier Parameter bei der Modulations-Winkelfrequenz ω1, ∂B_i/∂ω|ω₁ gemessen werden, unter Verwendung von moduliertem Licht, welches zwei Modulations-Winkelfrequenzkomponenten aufweist, welche ω = ω₁ ± Δω/2 (> 0) erfüllen. Diese Beziehung kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden.
Entsprechend werden die jeweiligen Steigungen ∂B_i/∂ω der Gl. (7.1) bis (7.4) wie folgt, wenn Gl. (9) in Gl. (8) substituiert wird, und p_i = 1/2.
Das Obige beschrieb das Verfahren zum präzisen Ermitteln von ∂B_i/∂ω.
Andererseits ist empirisch bekannt, dass die Näherung von
bei niedrigen Modulationsfrequenzen angewendet werden kann (zum Beispiel bei f = ω/2π = 100 MHz oder weniger, bei Messungen an lebenden Körpern oder Ähnlichem). Das kann hergeleitet werden durch Analysieren der Antwort eines streuenden Mediums, welches eine einfache Form aufweist, unter Verwendung der Photonendiffusionsgleichung. Konkreter werden Randbedingungen bestimmt, für ein halbunendliches Medium oder ein Medium eines rechtwinkeligen Parallelepipeds, welches eine Größe über einem bestimmten Niveau aufweist, und die Photonendiffusionsgleichung wird gelöst, unter den bestimmten Randbedingungen, um die Steigungen ∂B_i/∂ω auf den rechten Seiten der Gl. (7.1) bis (7.4) zu ermitteln, wobei die Näherungsgleichungen der Steigungen ∂B_i/∂ω hergeleitet werden können. Zum Beispiel, in dem Fall der Beziehung von Gl. (7.3), gilt die Näherung von
Entsprechend kann, bei niedrigen Modulationsfrequenzen,
auf Gl. (7.3) angewendet werden. In diesem Fall wird die vorgenannte Gl. (7.3) auf die folgende geändert.
Hier ist p ein Koeffizient, ähnlich jenem, welcher in Gl. (8) verwendet ist, und p = 1/2 kann normalerweise hierbei angenommen werden. Es ist klar, dass für die vorgenannten Gleichungen (7.1), (7.2) und (7.4) Näherungsgleichungen, entsprechend den jeweiligen Gleichungen, ebenfalls auf dieselbe Art abgeleitet werden können, wie oben.
Zum Berechnen der Konzentrationsänderung ΔV wird die folgende Gleichung, hergeleitet aus dem Lambert-Beer'schen Gesetz, angewendet. ∊ ΔV = μa2 – μa1 (12)
Hier ist ∊ ein Absorptionskoeffizient (oder ein Extinktionskoeffizient) pro Einheit der Konzentration eines absorptiven Bestandteils, was mit einem Spektrometer gemessen werden kann. Änderung in den Konzentrationen zweier oder mehrere Arten absorptiver Bestandteile können ebenfalls gemessen werden, unter Verwendung von Licht, welches zwei oder mehr Wellenlängen aufweist, durch das obige Verfahren.
Die obige Beschreibung hat das Verfahren zum Messen der Konzentrationsänderung eines absorptiven Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums aus Gl. (7.1) bis (7.4) und Gl. (12) erläutert. Es ist auch möglich, die obige Messung unter Verwendung modulierten Lichts unterschiedlicher Wellenlängen durchzuführen. Entsprechend kann eine zeitliche Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils in dem streuenden Medium gemessen werden, während die Messstelle fixiert wird. Diese Messung kann angewendet werden auf Messungen zeitlicher Änderung der Konzentration von Hämoglobin in einem gewissen Abschnitt, und Ähnliches.
(Messungen der Konzentrationsänderung eines absorptiven Bestandteils oder der räumlichen Verteilung einer Konzentrationsdifferenz desselben, von einem Referenzwert aus)
Es ist auch möglich, eine Verteilung einer zeitlichen Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums zu messen, durch Ausführen der oben angeführten Messung, während die Messstelle bewegt oder gescannt wird. Zusätzlich ist es auch möglich, eine Verteilung einer Differenz der Konzentration eines absorptiven Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums zu messen, bezogen auf einen Referenzwert, durch Bewegen oder Scannen der Messstelle entlang eines Messobjekts, während die Positionen des Lichteinfalls und des Lichtempfangs, relativ zueinander fixiert sind, wobei Messungen während der Bewegung durchgeführt werden, und ein Messwert an einer beliebigen Position als der Referenzwert genommen wird. Derartige Messungen können in der optischen Mammographie angewendet werden, zur Diagnose von Brustkrebs. Diese Messungen können, gemäß der vorliegenden Erfindung, auf streuende Medien verschiedener Formen angewendet werden, welche nicht-einspringende Konturen aufweisen, und spezifische Anwendungsbeispiele umfassen Fluoroskope, optische CT, klinische Monitore, benutzt in Chirurgie oder Therapie, und so weiter, sowie die optische Mammographie. Diese Beispiele benutzen derartige Verfahren, wie Lichtempfang an mehreren Punkten, Scannen von Lichteinfallsposition und Lichtempfangsposition und Time-Sharing-Messung, wie der Anlass es erfordern kann.
(Messungen der Konzentration eines spezifischen absorptiven Bestandteils)
Das Folgende beschreibt die Messung mit moduliertem Licht (von Modulations-Winkelfrequenz ω), aus Licht, welches zwei Wellenlängen aufweist, λ₁ und λ₂, d. h. die Zweiwellenlängen-Spektrophotometrie.
Nehmen wir zuerst an, dass ein streuendes Medium, welches einen absorptiven Bestandteil enthält, den Absorptionskoeffizienten μ_a1 für Licht der Wellenlänge λ₁ aufweist, und μ_a2 für Licht der Wellenlänge λ₂. Es ist auch angenommen, dass die Streukoeffizienten des Mediums für das Licht der Wellenlängen λ₁ und λ₂ einander gleich oder beinahe gleich sind. Derartige Bedingungen sind einfach zu verwirklichen, durch Auswählen der in der Messung verwendeten Wellenlängen. Unter diesen Umständen werden ähnliche Gleichungen wie Gl. (6.1) bis (6.4) aus den vorgenannten Gl. (5.1) bis (5.4) hergeleitet. Allerdings ist die Definition von Absorptionskoeffizienten μ_a1 und μ_a2 anders als jene im Fall von Gl. (6.1) bis (6.4), und μ_a1 und μ_a2 bedeuten hierbei die Absorptionskoeffizienten des gemessenen Mediums für das Licht der Wellenlängen λ₁ und λ₂. Ferner werden Gleichungen, ähnlich vorgenannten Gl. (7.1) bis (7.4) ermittelt, und die Differenz zwischen den Absorptionskoeffizienten des gemessenen Mediums für das Licht der zwei Wellenlängen, μ_a2 – μ_a1, kann durch Verwenden dieser Gleichungen ermittelt werden.
Die Konzentration V eines spezifischen absorptiven Bestandteils wird aus der Gleichung unten ermittelt, unter Verwendung der Absorptionskoeffizienten (oder Extinktionskoeffizienten) pro Einheit der Konzentration des spezifischen absorptiven Bestandteils für das Licht der Wellenlängen λ₁ und λ₂, ∊₁ und ∊₂. V(∊2 – ∊1) = μa2 – μa1 (13)
Hier können die Werte von ∊₁ und ∊₂ vorab mit dem Elektrometer gemessen werden. Entsprechend kann die absolute Konzentration V des absorptiven Bestandteils auf exakt dieselbe Weise gemessen werden wie die vorgenannte Messung der Konzentrationsänderung des absorptiven Bestandteils.
In Anbetracht der Wellenlängenabhängigkeit des Streukoeffizienten, zum Beispiel, wird die Gleichung, entsprechend der vorgenannten Gl. (6.3), wie folgt, durch Verwenden der Streukoeffizienten μ_s1 und μ_s2 des gemessenen Mediums für das Licht der Wellenlängen λ₁ und λ₂.
In dieser Gleichung ist allerdings die Wellenlängenabhängigkeit von ∂Φ/∂ω ignoriert. Ferner ist b₂/b₁ ein Verhältnis von Intensitäten einfallenden Lichts bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂, und A (μ_s1, 0, ω) und A (μ_s2, 0, ω) sind Werte bei μ_s = 0. Dadurch wird die folgende Gleichung aus Gl. (14) ermittelt, wie Gl. (7.3) es wurde.
Auch in diesem Fall ist, ähnlich wie in Gl. (7.3), μ_x ein geeigneter Wert, welcher die Bedingungen μ_a1 ≤ μ_x ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x ≥ μ_a2 erfüllt. Durch Setzen von b₂/b₁ = 1 und k = 1, wird diese Gl. (15) gleich der vorgenannten Gl. (7.3). Der Koeffizient b₂/b₁ kann als b₂/b₁ = 1 gesetzt werden, durch Einstellen der Intensität des einfallenden Lichts. Es ist auch möglich, den Wert von b₂/b₁ aus einem gemessenen Wert der Intensität der Lichtquelle zu schätzen. Ferner kann k = μ'_s1/μ'_s2 hergeleitet werden, durch Lösen der Photonendiffusionsgleichung für ein Medium von einer einfachen Form. Hier sind μ'_s1 und μ'_s2 Transport-Streukoeffizienten, jeweils bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂. Entsprechend kann die Differenz zwischen den Absorptionskoeffizienten, μ_a2 – μ_a1, des Mediums, welches den spezifischen absorptiven Bestandteil enthält, für das Licht der zwei Wellenlängen aus Gl. (15) berechnet werden. Danach kann die Konzentration V des spezifischen absorptiven Bestandteils ferner berechnet werden aus Gl. (13).
Wenn Zweipunktmessungen, zum Empfangen von ausgetretenem Licht an zwei Positionen, in der obigen Zweiwellenlängen-Spektrophotometrie ausgeführt werden, wird eine neue Beziehung erhalten, durch Eliminieren des oben beschriebenen Koeffizienten b₂/b₁. Der Koeffizient b₂/b₁ kann nämlich eliminiert werden, durch Benutzen keiner Abhängigkeit des Koeffizienten b₂/b₁ von den Detektionspositionen. Ferner versteht es sich von selbst, dass das oben angeführte Verfahren auf Mehrwellenlängen-Spektrophotometrie ausgeweitet werden kann, unter Verwendung von Licht, welches drei oder mehr Wellenlängen aufweist.
(Messungen einer räumlichen Verteilung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils)
Die Messung einer räumlichen Verteilung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils wird erreicht durch Durchführen der oben angeführten Messung an mehreren Punkten. Diese Messung, gemäß der vorliegenden Erfindung, ermöglicht Messungen mit den streuenden Medien verschiedener Formen, welche nicht-einspringende Konturen aufweisen. Spezifische Anwendungsbeispiele umfassen die optische Mammographie, Fluoroskope, optische CT und so weiter. Diese Beispiele setzen die Verfahren ein, wie etwa das Empfangen von Licht an mehreren Punkten, Scannen von Lichteinfallsposition und Lichtempfangsposition und die Time-Sharing-Messung, wie der Anlass es erfordern kann. Die Kennzeichen dieser Messungen sind die Fähigkeit, die räumliche Verteilung der Konzentration eines spezifischen absorptiven Bestandteils zu messen, die räumliche Verteilung der Differenz zwischen absorptiven Bestandteilen des gemessenen Mediums für das Licht zweier Wellenlängen, die räumliche Verteilung der zeitlichen Änderung der Konzentration eines spezifischen absorptiven Bestandteils, und so weiter, wie oben beschrieben. Diese Informationen werden benutzt im klinischen Monitoring, in der Diagnose oder Analysis, und in Chirurgie und Therapie.
(Ausführungsformen)
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es ist allerdings anzumerken, dass in der folgenden Beschreibung dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind und auf redundante Beschreibung verzichtet wird.
AUSFÜHRUNGSFORM 1
2 zeigt die erste Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, zum Ausführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, und illustriert den Aufbau der Vorrichtung 1, zum Messen der zeitlichen Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums 2. In diesem Aufbau der Vorrichtung 1 wird moduliertes Licht vorbestimmter Wellenlänge λ und Modulationsfrequenz f (die Modulations-Winkelfrequenz ω = 2πf) einfallen gelassen, auf Position P (Lichteinfallsposition), in der Oberfläche des streuenden Mediums 2, und das Licht, welches sich innerhalb des streuenden Mediums 2 ausgebreitet hat, wird an einer anderen Position Q (Photodetektionsposition), in der Oberfläche, empfangen. Danach wird eine Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums quantifiziert, durch wiederholtes Ausführen von Messungen. In diesem Fall kann die Änderung der Konzentration des absorptiven Bestandteils quantifiziert werden, durch Verwenden einer Konzentration des absorptiven Bestandteils in der ersten Messung als einen Referenzwert. Die Messvorrichtung 1 ist im Ganzen in einem Gehäuse untergebracht.
Eine Laserdiode oder Ähnliches wird als Lichtquelle 10 verwendet, und das modulierte Licht der Wellenlänge λ und der vorbestimmten Modulations-Winkelfrequenz ω wird dadurch erzeugt. In diesem Fall ist die Wellenlänge abhängig von dem streuenden Medium und dem zu messenden absorptiven Bestandteil gewählt. In Messungen am lebenden Körper wird häufig oxygeniertes und deoxygeniertes Hämoglobin und oxygeniertes und deoxygeniertes Myoglobin gemessen, und Absorptionsspektren jener absorptiven Bestandteile sind in 3 gezeigt. Daher wird das Licht von 600 nm bis 1,3 μm normalerweise in den Messungen am lebenden Körper verwendet. Die Modulationsfrequenz f wird geeigneterweise in dem Bereich von 1 MHz bis 1 GHz ausgewählt. Diese Modulationsfrequenz ist in Messungen räumlicher Verteilung normalerweise so hoch wie möglich. Im Folgenden beträgt f = 100 MHz. Die Lichtquelle 10 kann auch ausgewählt werden aus der Lichtemissionsdiode, dem HeNe-Laser und so weiter, sowie der Laserdiode.
Sinusförmig moduliertes Licht der vorbestimmten Winkelfrequenz wird durch Strommodulation der Laserdiode erzeugt, wie gezeigt in 4A und 4B. Das sinusförmig modulierte Licht kann auch durch Überlagerung zweier Dauerstrichlaser erzeugt werden, oder durch Verwenden eines optischen Modulators, wie gezeigt in 4C und 4D und in 4E und 4F.
Das modulierte Licht, welches von der Lichtquelle 10 emittiert wird, fällt durch Lichtleiter 12 auf die Oberfläche des streuenden Mediums 2 ein, welches ein Messobjekt ist. Der Raum zwischen dem Lichtleiter 12 und dem streuenden Medium 2 ist in der Ausführungsform in 2 sehr klein. In der Praxis kann dieser Raum allerdings erweitert werden, und gefüllt mit einer flüssigen Substanz oder einer Gallertsubstanz (welche ein Verbindungsmaterial genannt wird), welche den Brechungsindex und Streukoeffizienten aufweist, beinahe gleich jenen des streuenden Mediums 2. Das modulierte Licht breitet sich in diesem Verbindungsmaterial nämlich aus, um in das Messobjekt einzutreten, ohne ein Problem darzustellen. Falls Reflexion an der Oberfläche des streuenden Mediums problematisch ist, kann der Einfluss der Oberflächenreflexion oder von Ähnlichem durch geeignetes Auswählen des Verbindungsmaterials verringert werden.
Das modulierte Licht, welches sich innerhalb des streuenden Mediums ausgebreitet hat, wird von Lichtleiter 13 empfangen, welcher sich an Position Q befindet, die Distanz r entfernt von der vorgenannten Lichteinfallsposition P. Das Verbindungsmaterial kann auch hierbei aus demselben Grund wie oben eingesetzt werden. Photodetektor 14 wandelt ein optisches Signal des empfangenen Lichts in ein elektrisches Signal um, verstärkt es, falls nötig, und gibt ein Messsignal aus. Der Photodetektor 14 kann ausgewählt sein aus einer Photozelle, einer Photodiode, einer Avalanche-Photodiode, einer PIN-Photodiode und so weiter, zusätzlich zu einem Photovervielfacher. Bei Auswahl der Photodiode kommt es darauf an, dass sie die Charakteristika spektraler Empfindlichkeit, zum Erkennen des Lichts der vorbestimmten Wellenlängen, aufweist, und die nötige zeitliche Ansprechgeschwindigkeit. Für schwache Lichtsignale wird ein hochverstärkender Photodetektor verwendet. Ferner kann das Verfahren zeitkorrelierten Photonenzählens zum Zählen von Photonen angewendet werden. Die anderen Stellen, außer der lichtempfangenden Fläche des Photodetektors, sind in der Struktur wünschenswerterweise konstruiert zum Absorbieren oder Einfangen des Lichts.
Signalerkennungs-Abschnitt 15 detektiert ein Signal der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente aus dem vorgenannten Messsignal. Konkret wird die Homodyndetektion, Heterodyndetektion oder Lock-in-Detektion, wohl bekannt, verwendet. In diesem Fall benutzt der Signalerkennungs-Abschnitt 15 ein Signal, welches mit dem modulierten Licht synchronisiert ist, welches aus der Lichtquelle 10 emittiert wird, wie der Anlass es erfordert. Der erste Arithmetik-Abschnitt 16 berechnet die Amplitude A und die Steigung (Ableitung) ∂Φ/∂ω von Phase Φ nach der Modulations-Winkelfrequenz aus dem vorgenannten Signal der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente. Danach wird die obige Messung repetitiv ausgeführt. Betrachten wir nun die m-te und die (m + 1)-te Messung.
Der zweite Arithmetik-Abschnitt 17 substituiert die zwei Amplituden A_m und A_m+1, erhalten in der m-ten und (m + 1)-ten Messung, und die Steigung der Phase ∂Φ/∂ω|μ_x3, ermittelt aus den zwei Steigungen der Phase, in die vorgenannte Gl. (7.3), um ein Änderungsausmaß des Absorptionskoeffizienten des streuenden Mediums 2, μ_a(m+1) – μ_am (Primärinformation) zu berechnen, und berechnet ferner ein Änderungsausmaß des absorptiven Bestandteils unter Verwendung der vorgenannten Gl. (12).
Zu dieser Zeit wird, zum Berechnen der Steigung der Phase ∂Φ/∂ω|μ_x3, vorgenannte Gl. (8) verwendet, und ausreichende Genauigkeit ist bei p = 1/2 erreicht. Da f = 100 MHz, kann die Näherung
wie oben beschrieben, angewendet werden. In dem Fall von f > 100 MHz werden Messungen mit dem modulierten Licht zweier Modulations-Winkelfrequenzen ω = ω₁ ± Δω/2 (> 0) durchgeführt, und ∂Φ/∂ω|μ_x3, wird unter Verwendung der vorgenannten Gl. (10) berechnet. Diese arithmetischen Prozesse werden bei hoher Geschwindigkeit ausgeführt, durch Mikrorechner, welche in dem ersten und zweiten Arithmetik-Abschnitt enthalten sind.
Der zweite Arithmetik-Abschnitt 17 weist eine Funktion auf, zum Speichern von derart ermittelter Konzentrationsinformation des absorptiven Bestandteils, und Anzeige-/Aufzeichnungsmittel 18 ist ein Abschnitt zum Anzeigen oder Aufzeichnen dieser Informationen.
Die obige Anordnung verwendete das modulierte Licht einer Wellenlänge, jedoch kann moduliertes Licht zweier oder mehrerer Wellenlängen ebenfalls in der Praxis benutzt werden. Ferner ist es auch möglich, das Licht auf eine Position einfallen zu lassen und das sich ausbreitende Licht an zwei oder mehreren Positionen zu detektieren. Diese können parallel oder in zeitlicher Aufteilung detektiert werden.
Die Mittel zum Einfallenlassen von Licht auf das streuende Medium 2 können, an Stelle des Lichtleiters 12, gezeigt in 2, ausgewählt sein aus einem Verfahren mit einer Kondensorlinse (5A), einem Verfahren unter Verwendung einer optischen Faser (5B), einem Verfahren unter Benutzung eines feinen Lochs (5C), einem Verfahren zum Einfallenlassen von Licht von innerhalb eines Körpers, wie eine Gastrokamera (5D), und so weiter. Ein dicker Lichtstrahl kann ebenfalls auf das streuende Medium 2 einfallen gelassen werden. In diesem Fall kann die Lichtquelle als eine Anordnung mehrerer Punkt-Lichtquellen erachtet werden.
Die Mittel zum Detektieren des Lichts, welches innerhalb des streuenden Mediums 2 diffundiert ist/sich ausgebreitet hat, können, anders als das Verfahren unter Verwendung des Lichtleiters 13, gezeigt in 2, ausgewählt sein aus einem Verfahren zum direkten Detektieren desselben (6A), einem Verfahren unter Verwendung einer optischen Faser (6B), einem Verfahren unter Verwendung einer Linse (6C) und so weiter.
Der obige erste Arithmetik-Abschnitt 16 wurde hinsichtlich des Falls beschrieben, zum Berechnen der Amplitude A und der Steigung ∂Φ/∂ω der Phase Φ nach der Modulations-Winkelfrequenz, aus dem Signal der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente. Allerdings kann er auch, aus dem Signal der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente, irgendeine Kombination berechnen, aus (i) der Sinuskomponente mit der Steigung (Ableitung) der Kosinuskomponente nach der Modulations-Winkelfrequenz, (ii) der Kosinuskomponente mit der Steigung (Ableitung) der Sinuskomponente nach der Modulations-Winkelfrequenz, oder (iii) der Phase mit der Steigung (Ableitung) des natürlichen Logarithmus der Amplitude nach der Modulations-Winkelfrequenz, wie bereits beschrieben. In diesem Fall sollte "Amplitude A", "Steigung ∂Φ/∂ω der Phase Φ nach der Modulations-Winkelfrequenz" und "Gl. (7.3)", in der obigen Ausführungsform 1, lauten (i) "Sinuskomponente", "Steigung (Ableitung) der Kosinuskomponente nach der Modulations-Winkelfrequenz" und "Gl. (7.1)", (ii) "Kosinuskomponente", "Steigung (Ableitung) der Sinuskomponente nach der Modulations-Winkelfrequenz" und "Gl. (7.2)", oder (iii) "Phase", "Steigung (Ableitung) des natürlichen Logarithmus der Amplitude nach der Modulations-Winkelfrequenz" und "Gl. (7.4)". Entsprechend kann die erste hier angeführte Ausführungsform die Änderung der Konzentration des absorptiven Bestandteils nach Gl. (7.1) bis (7.4) quantifizieren.
AUSFÜHRUNGSFORM 2
Messungen werden auf dieselbe Weise ausgeführt wie in der obigen Ausführungsform 1, abgesehen von synchronem Scannen der Lichteinfallsposition P und der Photodetektionsposition Q des modulierten Lichts, relativ zu dem streuenden Medium 2, und der Referenzwert ist eine Konzentration des absorptiven Bestandteils an einer beliebigen Position, wodurch eine räumliche Verteilung der Konzentrationsdifferenz von dem Referenzwert aus gemessen werden kann. Auch in diesem Fall, ähnlich wie in der obigen Ausführungsform 1, kann die räumliche Verteilung der Differenz der Konzentration des absorptiven Bestandteils von dem Referenzwert aus gemessen werden, unter Verwendung von Gl. (7.1) bis (7.4).
7 zeigt die zweite Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, zum Ausführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, und illustriert den Aufbau von Vorrichtung 1 (Mammographie) zum Messen der räumlichen Verteilung der Konzentration des absorptiven Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums 2, wie der Brust. In 7 sind die Bestandteile, welche dieselben Funktionen aufweisen wie jene, gezeigt in 2, im Zusammenhang mit der vorgenannten ersten Ausführungsform, mit denselben Symbolen bezeichnet. Das modulierte Licht der vorbestimmten Wellenlänge λ und Modulationsfrequenz f (die Modulations-Winkelfrequenz ω = 2πf) wird einfallen gelassen, auf die Oberfläche des streuenden Mediums 2, und das Licht, welches sich innerhalb des streuenden Mediums ausgebreitet hat, wird an der Position in der Oberfläche an der gegenüberliegenden Seite empfangen. Bei dieser Gelegenheit wird die Messung durchgeführt, während die Einfallsposition und die Photodetektionsposition des modulierten Lichts synchron bewegt werden. Danach kann, zum Beispiel unter Verwendung einer Konzentration des absorptiven Bestandteils in der Messung, an der ersten Position (der ersten Lichtein falls position und der ersten Photodetektionsposition), als den Referenzwert, die räumliche Verteilung der Konzentrationsdifferenz des absorptiven Bestandteils gemessen werden.
Die Vorrichtung 1, gezeigt in 7, im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform, weist einen ersten mechanischen Abschnitt 30 auf, zum leichten parallelen Komprimieren des streuenden Mediums 2. Der erste mechanische Abschnitt 30 ermöglicht nämlich, dass das streuende Medium 2, wie die Brust, in einem leicht abgeflachten Zustand gemessen wird. Dieser erste mechanische Abschnitt 30 ist ausgestattet mit einem zweiten mechanischen Abschnitt 31, zum synchronen Bewegen der Einfallsposition und der Photodetektionsposition des modulierten Lichts. Danach gibt dieser zweite mechanische Abschnitt 31 Positionssignale aus, welche Scannpositionen angeben, und die Positionssignale werden dem Anzeige-/Aufzeichnungsabschnitt 18 zugeführt, um zum Anzeigen und Aufzeichnen der räumlichen Verteilung benutzt zu werden. Wellenlängenauswahl 11 ist in der Folgestufe der Lichtquelle 10 angeordnet, zum Emittieren des modulierten Lichts, sodass das modulierte Licht einer gewünschten Wellenlänge unbedingt ausgewählt werden kann. Die anderen Abschnitte sind dieselben wie in der Vorrichtung der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.
Die obige Anordnung verwendete das modulierte Licht einer Wellenlänge, jedoch kann moduliertes Licht zweier oder mehrerer Wellenlängen in der Praxis verwendet werden. Ferner ist es auch möglich, Licht auf eine Lichteinfallsposition einfallen zu lassen und das sich ausbreitende Licht an zwei oder mehreren Photodetektionspositionen gleichzeitig oder in zeitlicher Aufteilung zu detektieren.
AUSFÜHRUNGSFORM 3
8 zeigt die dritte Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, zum Ausführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, und illustriert den Aufbau der Vorrichtung zum Messen der Konzentration des absorptiven Bestandteils innerhalb des streuenden Mediums 2. In 8 sind die Bestandteile, welche dieselben Funktionen aufweisen wie jene in 2, im Zusammenhang mit der vorgenannten ersten Ausführungsform, und in 7, im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform, mit denselben Symbolen bezeichnet. Diese Konfiguration ist angeordnet, das modulierte Licht zweier Wellenlängen, λ₁ und λ₂, zu verwenden, und zwei Photodetektionsdistanzen, r₁ und r₂. In diesem Fall gilt bereits beschriebene Gl. (15), für jede der Messungen an den zwei Photodetektionsdistanzen r₁ und r₂. Entsprechend kann die Differenz zwischen den Absorptionskoeffizienten des gemessenen streuenden Mediums 2 für das Licht der zwei Wellenlängen, μ_a2 – μ_a1, ermittelt werden, durch Eliminieren des Koeffizienten b₂/b₁ in Gl. (15) aus simultanen Gleichungen, umfassend zwei Gleichungen, auf Basis von Gl. (15). In diesem Beispiel kann, da das modulierte Licht zweier unterschiedlicher Wellenlängen, bei denen die Streukoeffizienten einander gleich sind oder als einander gleich erachtet werden, auf das streuende Medium einfallen gelassen wird, k in der vorgenannten Gl. (15) k = 1 sein, und lnk wird aus derselben eliminiert. Für Medien von einfacher Form kann k = μ'_s1/μ'_s2 angenommen werden, wie bereits beschrieben. Aus dem Obigen wird die Differenz μ_a2 – μ_a1, zwischen den Absorptionskoeffizienten des Mediums, welches einen spezifischen absorptiven Bestandteil enthält, für das Licht der zwei Wellenlängen, aus Gl. (15) berechnet, und die Konzentration des absorptiven Bestandteils in dem streuenden Medium kann auf Basis der in Gl. (13) gezeigten Beziehung quantifiziert werden.
Die Lichtquelle 10 ist eine Laserdiode oder Ähnliches und erzeugt das modulierte Licht der beiden unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ und λ₂ und, zum Beispiel, die Modulationsfrequenz f = 100 MHz. Das modulierte Licht aus der Lichtquelle 10 wird einer Auswahl der Wellenlänge unterzogen, durch die Wellenlängenauswahl 11, und wird durch den Lichtleiter 12 auf die Oberfläche des streuenden Mediums 2 geleitet, welches das Messobjekt ist. In diesem Fall kann die Vorrichtung ein Verfahren einsetzen, zum simultanen Einfallenlassen der modulierten Lichtstrahlen der zwei Wellenlängen, und in dieser Anordnung wird auf die Wellenlängenauswahl 11 verzichtet.
Der Raum zwischen dem Lichtleiter 12 und dem streuenden Medium 2 ist in der Ausführungsform in 8 sehr klein. In der Praxis kann dieser Raum allerdings erweitert werden, und er kann gefüllt werden mit einer flüssigen Substanz oder einer Gallertsubstanz (welche ein Verbindungsmaterial genannt wird), welche den Brechungsindex und Streukoeffizienten aufweist, beinahe gleich jenen des streuenden Mediums 2, wie in der ersten Ausführungsform. Das modulierte Licht breitet sich in diesem Verbindungsmaterial nämlich aus, um in das Messobjekt einzutreten, ohne ein Problem darzustellen. Falls Reflexion an der Oberfläche des streuenden Mediums problematisch ist, kann der Einfluss der Oberflächenreflexion oder von Ähnlichem durch geeignetes Auswählen des Verbindungsmaterials verringert werden.
Das Licht, welches sich innerhalb des streuenden Mediums 2 ausgebreitet hat, wird von erstem und zweitem Lichtleiter 13₁ , 13₂ empfangen, welche an den Positionen (Photodetektionspositionen) angeordnet sind, die Distanzen r₁ und r₂ entfernt von der Lichteinfallsposition. Das Verbindungsmaterial kann auch hierbei, aus demselben Grund wie oben, eingesetzt werden.
Der erste Photodetektor 14₁ und der zweite Photodetektor 14₂ wandeln die jeweiligen Lichtsignale des empfangenen Lichts in elektrische Signale um, verstärken sie, falls nötig, und geben Messsignale aus, betreffend die Messungen an den zwei Photodetektionsdistanzen r₁ und r₂. Die Photodetektoren 14₁ , 14₂ können ausgewählt sein aus den Photozellen, den Photodioden, den Avalanche-Photodioden, den PIN-Photodioden und so weiter, zusätzlich zu den Photovervielfachern. Bei Auswahl der Photodetektoren kommt es darauf an, dass sie die Charakteristika spektraler Empfindlichkeit, zum Erkennen des Lichts der vorbestimmten Wellenlängen, aufweisen, und die nötige zeitliche Ansprechgeschwindigkeit. Für schwache Lichtsignale werden hochverstärkende Photodetektoren verwendet. Ferner kann das Verfahren zeitkorrelierten Photonenzählens zum Zählen von Photonen angewendet werden. Die anderen Stellen, außer der lichtempfangenden Fläche des Photodetektors, sind in der Struktur wünschenswerterweise konstruiert zum Absorbieren oder Einfangen des Lichts. In dem Fall, in dem das modulierte Licht der zwei Wellenlängen simultan auf das streuende Medium einfallen gelassen wird, wie oben beschrieben, werden Wellenlängen auswählende Filter (nicht gezeigt) an geeigneten Positionen zwischen die Photodetektoren 14₁ und 14₂ und das streuende Medium 2 gesetzt.
Der Singnalerkennungs-Abschnitt 15 und der erste Arithmetik-Abschnitt 16 führen die folgende Arithmetik aus, auf Basis der vorgenannten Messsignale, jeweils erhalten in den Messungen an den zwei Photodetektionsdistanzen r₁ und r₂. Zuerst erkennt der Signalerkennungs-Abschnitt 15 Signale der jeweiligen vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponenten aus den Messsignalen, welche jeweils für das modulierte Licht der zwei Wellenlängen erhalten werden. In diesem Fall benutzt der Signalerkennungs-Abschnitt 15 ein Signal, welches synchronisiert ist mit dem modulierten Licht, welches von der Lichtquelle 10 emittiert wird, wie der Anlass es erfordern kann. Als Nächstes berechnet der erste Arithmetikabschnitt 16 die Amplituden A und Steigungen (Ableitungen) ∂Φ/∂ω der Phase nach der Modulations-Winkelfrequenz aus den jeweiligen Signalen der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponenten, welche für das modulierte Licht der zwei Wellenlängen erhalten werden.
Der zweite Arithmetikabschnitt 17 substituiert die jeweiligen obigen Amplituden A, welche an den zwei Photodetektionsdistanzen für das modulierte Licht der zwei Wellenlängen erhalten werden, und die Steigungen der Phase ∂Φ/∂ω|μ_x, welche aus den jeweiligen obigen Steigungen der Phase erhalten werden, in die vorgenannte Gl. (15), löst die simultanen Gleichungen, welche zwei Gleichungen umfassen, welche für die Messungen an den zwei Photodetektionsdistanzen r₁ und r₂ ermittelt werden, berechnet die Differenz μ_a2 – μ_a1 (primäre Information) zwischen den Absorptionskoeffizienten des streuenden Mediums 2 für das Licht, welches die zwei Wellenlängen aufweist, und berechnet ferner die Konzentration des absorptiven Bestandteils durch Verwenden der vorgenannten Gl. (13). Zum Berechnen der Steigung von Phase ∂Φ/∂ω|μ_x3 wird die vorgenannte Gleichung (8) angewendet, und ausreichende Genauigkeit ist bei p = 1/2 gesichert. Da f = 100 MHz, kann Näherung
angewendet werden, wie oben beschrieben. In dem Fall von f > 100 MHz werden Messungen mit dem modulierten Licht der zwei Modulations-Winkelfrequenzen ω = ω₁ ± Δω/2 (> 0) durchgeführt, und ∂Φ/∂ω|μ_x3 wird unter Verwendung der vorgenannten Gl. (10) berechnet. Diese arithmetischen Prozesse werden bei hoher Geschwindigkeit ausgeführt, durch Mikrorechner, welche in dem ersten und zweiten Arithmetik-Abschnitt enthalten sind.
Der obige zweite Arithmetik-Abschnitt 17 weist eine Funktion auf, zum Speichern von derart ermittelter Konzentrationsinformation des absorptiven Bestandteils, und Anzeige-/Aufzeichnungsmittel 18 ist ein Abschnitt zum Anzeigen oder Aufzeichnen dieser.
In dem Fall, in welchem einfallende Lichtintensitäten des modulierten Lichts der zwei Wellenlängen, λ₁ und λ₂, auf das streuende Medium 2 einander gleich sind oder gesteuert werden können, einander gleich zu sein, kann auf den zweiten Photodetektor 14₂ verzichtet werden. In diesem Fall wird der Koeffizient b₂/b₁, in der vorgenannten Gl. (15), b₂/b₁ = 1, und ln(b₂/b₁) wird aus derselben eliminiert. So kann die Differenz μ_a2 – μ_a1 (primäre Information) zwischen den Absorptionskoeffizienten des streuenden Mediums 2 für das Licht der zwei Wellenlängen direkt aus Gl. (15) berechnet werden, und die Konzentration des absorptiven Bestandteils kann ferner unter Verwendung der vorgenannten Gl. (13) berechnet werden.
Das Obige beschrieb das Verfahren zum Einfallenlassen des Lichts auf eine Position und Detektieren des Lichts an den zwei anderen Positionen. In der Praxis, allerdings, können Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen an zwei Positionen einfallen gelassen werden, und das Licht kann an einer anderen Position detektiert werden, parallel oder in zeitlicher Aufteilung.
Die obige dritte Ausführungsform kann entweder das Verfahren einsetzen, zum Einfallenlassen des Lichts, welches Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen umfasst, oder das Verfahren zum Einfallenlassen der Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen, in zeitlicher Aufteilung und unter Verwendung jedes Strahls. In dem ersteren Fall wird irgendein Verfahren ausgewählt, aus einem Verfahren zum Bilden koaxialer Strahlen des Lichts der unterschiedlichen Wellenlängen und Auswählen der Wellenlänge durch einen Wellenlängen auswählenden Filter, welcher unmittelbar vor der Lichteinfallsposition vorgesehen ist, einem Verfahren zum Einfallenlassen der Strahlen auf das streuende Medium, wie sie sind, und Auswählen der Wellenlänge durch einen Wellenlängen auswählenden Filter, welcher unmittelbar vor dem Photodetektor vorgesehen ist, einem Verfahren zum Aufspalten jedes detektierten Lichts in zwei Strahlen, wobei sie einer Auswahl der Wellenlängen unterzogen werden, und Detektieren derselben, parallel, durch im Ganzen vier Photodetektoren. In dem letzteren Fall kann irgendeine Einrichtung verwendet werden, von einer Lichtstrahl-Schalteinrichtung, welche einen Spiegel an der Seite der Lichtquelle verwendet, einer Wellenlängen-Schalteinrichtung, welche einen Filter verwendet, einer Licht-Schaltvorrichtung, welche einen optischen Schalter verwendet, und so weiter. Die Mittel zum Einfallenlassen des Lichts auf das streuende Medium und die Mittel zum Detektieren des Lichts, welches innerhalb des Mediums diffundiert ist/sich ausgebreitet hat, können ausgewählt werden aus jenen, welche in der ersten Ausführungsform aufgelistet sind.
Der obige erste Arithmetik-Abschnitt 16 wurde hinsichtlich des Falls beschrieben, zum Berechnen der Amplitude A und der Steigung ∂Φ/∂ω der Phase Φ nach der Modulations-Winkelfrequenz, aus dem Signal der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente. Allerdings kann er auch, aus dem Signal der vorbestimmten Modulationsfrequenzkomponente, irgendeine Kombination berechnen, aus (i) der Sinuskomponente mit der Steigung (Ableitung) der Kosinuskomponente nach der Modulations-Winkelfrequenz, (ii) der Kosinuskomponente mit der Steigung (Ableitung) der Sinuskomponente nach der Modulations-Winkelfrequenz, oder (iii) der Phase mit der Steigung (Ableitung) des natürlichen Logarithmus der Amplitude nach der Modulations-Winkelfrequenz, wie bereits beschrieben. In diesem Fall sollte "Amplitude A", "Steigung ∂Φ/∂ω der Phase Φ nach der Modulations-Winkelfrequenz" und "Gl. (15)", in der obigen Ausführungsform 3, lauten (i) "Sinuskomponente", "Steigung (Ableitung) der Kosinuskomponente nach der Modulations-Winkelfrequenz" und "eine ähnliche Gleichung wie Gl. (15), hergeleitet von Gl. (5.1)", (ii) "Kosinuskomponente", "Steigung (Ableitung) der Sinuskomponente nach der Modulations-Winkelfrequenz" und "eine ähnliche Gleichung wie Gl. (15), hergeleitet von Gl. (5.2)", oder (iii) "Phase", "Steigung (Ableitung) des natürlichen Logarithmus der Amplitude nach der Modulations-Winkelfrequenz" und "eine ähnliche Gleichung wie Gl. (15), hergeleitet von Gl. (5.4)". Konkret sind, wo b₁ = b₂, und μ_s1 = μ_s2, die obigen, Gl. (15) ähnlichen, Gleichungen Gl. (7.1) im Fall von (i), Gl. (7.2) im Fall von (ii), und Gl. (7.4) im Fall von (iii). Entsprechend kann die dritte hier beschriebene Ausführungsform die Konzentration des absorptiven Bestandteils nach den vier Verfahren quantifizieren.
In der obigen dritten Ausführungsform, wenn Strahlen dreier Wellenlängen verwendet werden, wird es möglich, Konzentrationen jeweiliger absorptiver Bestandteile in einem streuenden Medium zu messen, welches zwei Arten absorptiver Bestandteile enthält, oder eine Konzentration eines absorptiven Bestandteils zu messen, und eine Gesamtkonzentration des anderen absorptiven Bestandteils in einem streuenden Medium, welches mehrere Arten absorptiver Bestandteile enthält. Zum Beispiel weisen oxygeniertes Hämoglobin und deoxygeniertes Hämoglobin unterschiedliche Absorptionskoeffizienten auf, abhängig von den Wellenlängen, wie gezeigt in vorgenannter 3. Daher können Konzentrationen dieser, und zusätzlich Sauerstoffsättigung oder Ähnliches, gemessen werden, unter Verwendung von Licht dreier geeignet ausgewählter Wellenlängen. Im Allgemeinen können, wenn Licht von n Wellenlängen (wobei n eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist) verwendet wird, Konzentrationen von (n – 1) Arten absorptiver Bestandteile gemessen werden. Ferner kann die Genauigkeit der Konzentrationsmessung von (n – 1) Arten absorptiver Bestandteile verbessert werden durch Verwenden von Licht von (n + 1) oder mehr Arten von Wellenlängen.
Wenn die obige Messung zu unterschiedlichen Zeiten (Timings) ausgeführt wird, kann eine zeitliche Änderung der Konzentration eines spezifischen absorptiven Bestandteils gemessen werden. Ferner kann eine räumliche Verteilung der Konzentration gemessen werden, durch synchrones Bewegen der Einfallsposition des Lichts, auf das streuende Medium, und der Photodetektionsposition, und Messen der Konzentration des absorptiven Bestandteils in jedem Abschnitt des streuenden Mediums. Der obige zweite Arithmetik-Abschnitt 17 kann angeordnet sein, eine Funktion aufzuweisen, zum Speichern der auf diese Weise erhaltenen Konzentrationsinformation des absorptiven Bestandteils.
AUSFÜHRUNGSFORM 4
9 zeigt die vierte Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, zum Ausführen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, und illustriert den Aufbau der Vorrichtung zum Messen oder Überwachen einer Konzentration oxygenierten Hämoglobins innerhalb des streuenden Mediums 2, wie des menschlichen Kopfes, oder einer Sauerstoffsättigung von Hämoglobin (eines Verhältnisses der Konzentration von oxygeniertem Hämoglobin zur Konzentration des gesamten Hämoglobins). Diese vierte Ausführungsform setzt moduliertes Licht dreier Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃ ein, und zwei Photodetektionsdistanzen r₁, r₂. In diesem Fall werden, ähnlich wie in den vorherigen Ausführungsformen, drei simultane Gleichungen der vier Arten ermittelt, auf Basis irgendeiner der bereits beschriebenen Gl. (7.1) bis (7.4). Entsprechend werden diese simultanen Gleichungen gelöst, die Differenz (primäre Information) zwischen Absorptionskoeffizienten bei jeder Wellenlänge wird berechnet, und vorgenannte Gl. (13) wird ferner verwendet, um die Konzentrationen oxygenierten und deoxygenierten Hämoglobins und die Sauerstoffsättigung des Hämoglobins oder von Ähnlichem zu quantifizieren.
Die in 9 gezeigte Vorrichtung ist vorgesehen mit Behälter 40, welcher ein Befestigungsband aufweist, befestigt um den Kopf 2 wie ein Haarband, und externes Gerät 41, welches einen Signalerkennungs-Abschnitt, einen ersten Arithmetik-Abschnitt, einen zweiten Arithmetik-Abschnitt und einen Anzeige-/Aufzeichnungsabschnitt enthält, ist durch Kabel 42 verbunden mit dem Behälter 40. Die in dieser Ausführungsform gezeigte Vorrichtung verwendet das Licht dreier vorbestimmter Wellenlängen λ_1, λ₂, λ₃, und das Funktionieren derselben und jede der Bestandteil-Einrichtungen sind beinahe dieselben wie in der Vorrichtung der dritten Ausführungsform. 10 illustriert die Details eines Abschnitts der Vorrichtung, gezeigt in der vorgenannten 9, d. h. die Details innerhalb des Behälters 40.
Wie in 10 gezeigt, sind die Lichtquelle 10, Wellenlängenauswahl 11, erster Photodetektor 14, zweiter Photodetektor 14₂ und Lichtleiter 12, 13₁ , 13₂ in dem Behälter 40 gebaut, und das modulierte Licht der vorbestimmten Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, welches von der Lichtquelle 10 emittiert wird, wird einer Auswahl der Wellenlängen unterworfen, durch die Wellenlängenauswahl 11, um durch den Lichtleiter 12 auf den Kopf 2 einzufallen. Bei dieser Gelegenheit werden die drei Wellenlängen geeigneterweise im Bezug zu den Absorptionsspektren von Hämoglobin, gezeigt in der vorgenannten 3, ausgewählt.
Das Licht, welches innerhalb des Kopfes 2 diffundiert ist/sich ausgebreitet hat, wird von den Lichtleitern 13₁ , 13₂ empfangen, welche an den Positionen (Photodetektionspositionen) angeordnet sind, die Distanzen r₁ und r₂ entfernt von der vorgenannten Lichteinfallsposition, wird durch den ersten Photodetektor 14₁ und den zweiten Photodetektor 14₂ in elektrische Signale umgewandelt, und wird verstärkt, falls nötig. Die Energie (Energieversorgung) und verschiedene Signale werden durch Verbinder 43 und Signalkabel 42, welche an dem Behälter 40 befestigt sind, von dem externen Gerät 41 und zu dem externen Gerät 41 übertragen. Der Signalerkennungs-Abschnitt, der erste Arithmetik-Abschnitt, der zweite Arithmetik-Abschnitt, und der Anzeige-/Aufzeichnungsabschnitt (von denen keiner gezeigt ist), welche in dem externen Gerät 41 angeordnet sind, führen dieselbe Signalerkennung und Arithmetik, für die drei Wellenlängen und die zwei Photodetektionsdistanzen, aus, wie in der obigen dritten Ausführungsform.
In der vorliegenden Ausführungsform gelten zwei simultane Gleichungen der vier Arten, ähnlich vorgenannter Gl. (15), für Signale, welche bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ und bei den Wellenlängen λ₁ und λ₃ erhalten werden, Signale, welche bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ und bei den Wellenlängen λ₂ und λ₃ erhalten werden, oder Signale, welche bei den Wellenlängen λ₁ und λ₃ und bei den Wellenlängen λ₂ und λ₃ erhalten werden. Die obigen arithmetischen Prozesse werden bei hoher Geschwindigkeit ausgeführt, durch Mikrorechner, oder Ähnliches, welche in dem ersten und zweiten Arithmetik-Abschnitt enthalten sind. Ferner können die Signale in dem Behälter 40 in Funkwellen oder Lichtsignale umgewandelt werden, und sie können zu dem externen Gerät 41 ohne Vermittlung eines Signalkabels übertragen werden.
In der vorliegenden oben beschriebenen Ausführungsform können die Lichtquelle, der Lichteinfalls-Abschnitt, und die Photodetektionsmittel ausgewählt sein aus jenen, welche in der ersten Ausführungsform aufgelistet sind. Beim menschlichen Kopf oder Ähnlichem könnte die Oberflächenreflexion oder der Spalt zwischen den Lichtleitern und dem Kopf ein Problem darstellen. In diesem Fall kann das vorgenannte Verbindungsmaterial gut verwendet werden. In diesem Fall könnte, bei Entfernen der in 10 gezeigten Lichtleiter, das Verbindungsmaterial, welches den Streukoeffizienten und den Absorptionskoeffizienten beinahe gleich jenen des Messobjekts aufweist, zwischen dem Kopf 2 und der Wellenlängenauswahl 11, und zwischen dem Kopf 2 und den Photodetektoren 14₁ und 14₂ , angeordnet sein.
Die Vorrichtung, wie beschrieben, kann nicht nur für die Messung von Information im Gehirn verwendet werden, sondern auch zur Messung und Überwachung der Konzentration oxygenierten Hämoglobins in einem Beinmuskel eines Läufers im Marathon, zum Beispiel.
AUSFÜHRUNGSFORM 5
Die fünfte Ausführungsform ist so angeordnet, dass das modulierte Licht der drei Wellenlängen λ₁, λ₂, λ₃, welches von der Lichtquelle in der obigen vierten Ausführungsform emittiert wird, ersetzt ist, durch moduliertes Licht einer vorbestimmten Repetitionsfrequenz einer beliebigen Wellenform. Die vierte Ausführungsform verwendete nämlich das sinusförmig modulierte Licht der vorbestimmten Winkelfrequenz, jedoch kann das modulierte Licht von jeglicher Wellenform sein, wenn es eine spezifische Frequenzkomponente enthält, wodurch der Ansatz der vierten Ausführungsform angewendet werden kann, wie er ist, auf die spezifische in dem Licht enthaltene Frequenzkomponente. Zum Beispiel gibt es, im Fall repetitiv gepulsten Lichts, Frequenzkomponenten derselben Frequenz wie die Repetitionsfrequenz und ganzzahlige Vielfache derselben, und daher kann der Ansatz der vierten Ausführungsform auf irgendeine Frequenzkomponente angewendet werden, wie er ist. Die Leistung, die das modulierte Licht der vorbestimmten Repetitionsfrequenz aufweisen muss, ist die stabile Repetitionsfrequenz und die stabile Lichtintensität.
Wie oben beschrieben, ermöglichen die Verfahren und Vorrichtungen zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums, gemäß der vorliegenden Erfindung, die Konzentrationsänderung oder die absolute Konzentration eines absorptiven Bestandteils, innerhalb des streuenden Mediums einer beliebigen Form, welche nicht-einspringende Oberflächen umfasst, effizient zu messen. Ferner ermöglicht die vorliegenden Erfindung, die räumliche Verteilung der Konzentrationsänderung und die zeitliche Änderung und räumliche Verteilung der Konzentration zu messen. Ferner ist, da die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung das modulierte Licht benutzen, der Nutzungsfaktor des Lichts hoch, und Nutzsignal-Störsignal-Verhältnisse sind groß, wodurch die hohe Messgenauigkeit erreicht wird. Daher lassen die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung genaue und effiziente Echtzeitmessungen zu, von Sauerstoffmengen im Gehirn, Sauerstoffmengen in einem Beinmuskel eines Menschen in Bewegung, Konzentrationen absorptiver Bestandteile in einem lebenden Baum und so weiter.
Ausgehend von der so beschriebenen Erfindung wird offensichtlich sein, dass die Erfindung auf vielerlei Weise variiert werden kann. Derartige Variationen sind nicht als ein Abweichen vom Schutzbereich der Erfindung zu erachten, und es ist beabsichtigt, alle derartigen Modifikationen, wie sie in Fachkreisen offensichtlich wären, innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche zu inkludieren.

Claims

Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2), wobei das Verfahren umfasst: Einfallenlassen modulierten Lichts, welches eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweist, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums (2), das ein Messobjekt ist; Empfangen des modulierten Lichts, welches sich innerhalb des Messobjekts ausgebreitet hat, und Erkennen von Signalen, wobei das modulierte Licht zu mehreren Timings und/oder an mehreren Positionen an der Oberfläche des streuenden Mediums empfangen wird, um Messsignale je an demselben zu gewinnen, und Signale der Modulations-Winkelfrequenz aus jedem der Messsignale erkannt werden; Kosinuskomponenten (X) und abgeleitete Werte von Sinuskomponenten (R), nach der Modulations-Winkelfrequenz, ermittelt werden, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, in jeweiligen Messungen, zu den mehreren Timings und/oder an den mehreren Positionen; und eine Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten (μ_a1, μ_a2) als primäre Information berechnet wird, auf Basis von
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und μ_x2 entweder μ_a1 ≤ μ_x2 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x2 ≥ μ_a2 erfüllt, wobei der Absorptionskoeffizient (μ_a) sich ändert (von μ_a1 zu μ_a2), mit der Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils des streuenden Mediums.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2), wobei das Verfahren umfasst: Einfallenlassen modulierten Lichts, welches eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweist, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums (2), das ein Messobjekt ist; Empfangen des modulierten Lichts, welches sich innerhalb des Messobjekts ausgebreitet hat, und Erkennen von Signalen, wobei das modulierte Licht zu mehreren Timings und/oder an mehreren Positionen an der Oberfläche des streuenden Mediums empfangen wird, um Messsignale je an demselben zu gewinnen, und Signale der Modulations-Winkelfrequenz aus jedem der Messsignale erkannt werden; Sinuskomponenten (R) und abgeleitete Werte von Kosinuskomponenten (X), nach der Modulations-Winkelfrequenz, ermittelt werden, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, in jeweiligen Messungen, zu den mehreren Timings und/oder an den mehreren Positionen; und eine Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten (μ_a1, μ_a2) als primäre Information berechnet wird, auf Basis von
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und μ_x1 entweder μ_a1 ≤ μ_x1 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x1 ≥ μ_a2 erfüllt, wobei der Absorptionskoeffizient (μ_a) sich ändert (von μ_a1 zu μ_a2), mit der Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils des streuenden Mediums.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2), wobei das Verfahren umfasst: Einfallenlassen modulierten Lichts, welches eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweist, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums (2), das ein Messobjekt ist; Empfangen des modulierten Lichts, welches sich innerhalb des Messobjekts ausgebreitet hat, und Erkennen von Signalen, wobei das modulierte Licht zu mehreren Timings und/oder an mehreren Positionen an der Oberfläche des streuenden Mediums empfangen wird, um Messsignale je an demselben zu gewinnen, und Signale der Modulations-Winkelfrequenz aus jedem der Messsignale erkannt werden; Amplituden (A) und abgeleitete Werte von Phasen (Φ), nach der Modulations-Winkelfrequenz, ermittelt werden, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, in jeweiligen Messungen, zu den mehreren Timings und/oder an den mehreren Positionen; und eine Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten (μ_a1, μ_a2) als primäre Information berechnet wird, auf Basis von
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und μ_x3 entweder μ_a1 ≤ μ_x3 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x3 ≥ μ_a2 erfüllt, wobei der Absorptionskoeffizient (μ_a) sich ändert (von μ_a1 zu μ_a2), mit der Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils des streuenden Mediums.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2), wobei das Verfahren umfasst: Einfallenlassen modulierten Lichts, welches eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweist, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums (2), das ein Messobjekt ist; Empfangen des modulierten Lichts, welches sich innerhalb des Messobjekts ausgebreitet hat, und Erkennen von Signalen, wobei das modulierte Licht zu mehreren Timings und/oder an mehreren Positionen an der Oberfläche des streuenden Mediums empfangen wird, um Messsignale je an demselben zu gewinnen, und Signale der Modulations-Winkelfrequenz aus jedem der Messsignale erkannt werden; Phasen (Φ) und abgeleitete Werte des natürlichen Logarithmus von Amplituden (A), nach der Modulations-Winkelfrequenz, ermittelt werden, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, in jeweiligen Messungen, zu den mehreren Timings und/oder an den mehreren Positionen; und eine Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten (μ_a1, μ_a2) als primäre Information berechnet wird, auf Basis von
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und μ_x4 entweder μ_a1 ≤ μ_x4 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x4 ≥ μ_a2 erfüllt, wobei der Absorptionskoeffizient (μ_a) sich ändert (von μ_a1 zu μ_a2), mit der Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils des streuenden Mediums.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Differenz der Konzentration des absorptiven Bestandteils quantifiziert wird, auf Basis von ∊ ΔV = μa2 – μa1 wobei E ein Absorptionskoeffizient pro Einheit der Konzentration eines absorptiven Bestandteils ist, und ΔV die Differenz der Konzentration des absorptiven Bestandteils ist.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation nach Anspruch 1, wobei mehrere modulierte Lichtstrahlen, welche eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweisen, und welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, bei welchen Streukoeffizienten eines Messobjekts im Wesentlichen zueinander gleich sind, einfallen gelassen werden, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums (2), welches das Messobjekt ist; wobei die modulierten Lichtstrahlen für die jeweiligen Wellenlängen empfangen werden; Signale der Modulations-Winkelfrequenz je aus den Messsignalen erkannt werden; und wobei Sinuskomponenten (R) und abgeleitete Werte von Kosinuskomponenten (X), nach der Modulations-Winkelfrequenz, ermittelt werden, für die jeweiligen Wellenlängen.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation nach Anspruch 2, wobei mehrere modulierte Lichtstrahlen, welche eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweisen, und welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, bei welchen Streukoeffizienten eines Messobjekts im Wesentlichen zueinander gleich sind, einfallen gelassen werden, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums (2), welches das Messobjekt ist; wobei die modulierten Lichtstrahlen für die jeweiligen Wellenlängen empfangen werden; Signale der Modulations-Winkelfrequenz je aus den Messsignalen erkannt werden; und wobei Kosinuskomponenten (X) und abgeleitete Werte von Sinuskomponenten (R), nach der Modulations-Winkelfrequenz, ermittelt werden, für die jeweiligen Wellenlängen.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation nach Anspruch 3, wobei mehrere modulierte Lichtstrahlen, welche eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweisen, und welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, bei welchen Streukoeffizienten eines Messobjekts im Wesentlichen zueinander gleich sind, einfallen gelassen werden, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums (2), welches das Messobjekt ist; wobei die modulierten Lichtstrahlen für die jeweiligen Wellenlängen empfangen werden; Signale der Modulations-Winkelfrequenz je aus den Messsignalen erkannt werden; und wobei Amplituden (A) und abgeleitete Werte von Phasen (Φ), nach der Modulations-Winkelfrequenz, ermittelt werden, für die jeweiligen Wellenlängen.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation nach Anspruch 4, wobei mehrere modulierte Lichtstrahlen, welche eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweisen, und welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, bei welchen Streukoeffizienten eines Messobjekts im Wesentlichen zueinander gleich sind, einfallen gelassen werden, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums (2), welches das Messobjekt ist; wobei die modulierten Lichtstrahlen für die jeweiligen Wellenlängen empfangen werden; Signale der Modulations-Winkelfrequenz je aus den Messsignalen erkannt werden; und wobei Phasen (Φ) und abgeleitete Werte des natürlichen Logarithmus von Amplituden (A), nach der Modulations- Winkelfrequenz, ermittelt werden, für die jeweiligen Wellenlängen.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei eine Konzentration des absorptiven Bestandteils quantifiziert wird auf Basis von V(∊2 – ∊1 ) = μa2 – μa1 wobei ∊₁ und ∊₂ Absorptionskoeffizienten pro Einheit der Konzentration eines absorptiven Bestandteils bei den jeweiligen Wellenlängen sind, und V die Konzentration des absorptiven Bestandteils ist.
Verfahren zum Messen von Absorptionsinformation nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Messsignale mehrere Messsignale sind, die erhalten werden, wenn die Lichtstrahlen an mehreren Positionen an der Oberfläche des Messobjekts empfangen werden.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums, umfassend: einen Lichteinfalls-Abschnitt (10, 12) zum Einfallenlassen modulierten Lichts, welches eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweist, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums, das ein Messobjekt ist; einen Photodetektions-Abschnitt (13, 14) zum Empfangen des modulierten Lichts, welches sich innerhalb des Messobjekts ausgebreitet hat, zu mehreren Timings und/oder an mehreren Positionen an der Oberfläche des streuenden Mediums, um Messsignale je an demselben zu gewinnen; einen Signalerkennungs-Abschnitt (15) zum Erkennen von Signalen der Modulations-Winkelfrequenz je aus den Messsignalen; einen ersten Arithmetik-Abschnitt (16) zum Berechnen von Kosinuskomponenten (X) und abgeleiteten Werten von Sinuskomponenten (R), nach der Modulations-Winkelfrequenz, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, die in jeweiligen Messungen, zu den mehreren Timings und/oder an den mehreren Positionen erhalten werden; und einen zweiten Arithmetik-Abschnitt (17) zum Berechnen einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten (μ_a1, μ_a2) als primäre Information, auf Basis von
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und μ_x2 entweder μ_a1 ≤ μ_x2 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x2 ≥ μ_a2 erfüllt, wobei der Absorptionskoeffizient (μ_a) sich ändert (von μ_a1 zu μ_a2), mit der Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils des streuenden Mediums.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2), umfassend: einen Lichteinfalls-Abschnitt (10, 12) zum Einfallenlassen modulierten Lichts, welches eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweist, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums, das ein Messobjekt ist; einen Photodetektions-Abschnitt (13, 14) zum Empfangen des modulierten Lichts, welches sich innerhalb des Messobjekts ausgebreitet hat, zu mehreren Timings und/oder an mehreren Positionen an der Oberfläche des streuenden Mediums, um Messsignale je an demselben zu gewinnen; einen Signal-Erkennungsabschnitt (15) zum Erkennen von Signalen der Modulations-Winkelfrequenz je aus den Messsignalen; einen ersten Arithmetik-Abschnitt (16) zum Berechnen von Sinuskomponenten (R) und abgeleiteten Werten von Kosinuskomponenten (X), nach der Modulations-Winkelfrequenz, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, die in jeweiligen Messungen, zu den mehreren Timings und/oder an den mehreren Positionen erhalten werden; und einen zweiten Arithmetik-Abschnitt (17) zum Berechnen einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten (μ_a1, μ_a2) als primäre Information, auf Basis von
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und μ_x1 entweder μ_a1 ≤ μ_x1 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x1 ≥ μ_a2 erfüllt, wobei der Absorptionskoeffizient (μ_a) sich ändert (von μ_a1 zu μ_a2), mit der Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils des streuenden Mediums.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2), umfassend: einen Lichteinfalls-Abschnitt (10, 12) zum Einfallenlassen modulierten Lichts, welches eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweist, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums, das ein Messobjekt ist; einen Photodetektions-Abschnitt (13, 14) zum Empfangen des modulierten Lichts, welches sich innerhalb des Messobjekts ausgebreitet hat, zu mehreren Timings und/oder an mehreren Positionen an der Oberfläche des streuenden Mediums, um Messsignale je an demselben zu gewinnen; einen Signal-Erkennungsabschnitt (15) zum Erkennen von Signalen der Modulations-Winkelfrequenz je aus den Messsignalen; einen ersten Arithmetik-Abschnitt (16) zum Berechnen von Amplituden (A) und abgeleiteten Werten von Phasen (Φ), nach der Modulations-Winkelfrequenz, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, die in jeweiligen Messungen, zu den mehreren Timings und/oder an den mehreren Positionen erhalten werden; und einen zweiten Arithmetik-Abschnitt (17) zum Berechnen einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten (μ_a1, μ_a2) als primäre Information, auf Basis von
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und μ_x3 entweder μ_a1 ≤ μ_x3 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x3 ≥ μ_a2 erfüllt, wobei der Absorptionskoeffizient (μ_a) sich ändert (von μ_a1 zu μ_a2), mit der Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils des streuenden Mediums.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2), umfassend: einen Lichteinfalls-Abschnitt (10, 12) zum Einfallenlassen modulierten Lichts, welches eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweist, in einer Punktform auf eine Oberfläche eines streuenden Mediums, das ein Messobjekt ist; einen Photodetektions-Abschnitt (13, 14) zum Empfangen des modulierten Lichts, welches sich innerhalb des Messobjekts ausgebreitet hat, zu mehreren Timings und/oder an mehreren Positionen an der Oberfläche des streuenden Mediums, um Messsignale je an demselben zu gewinnen; einen Signal-Erkennungsabschnitt (15) zum Erkennen von Signalen der Modulations-Winkelfrequenz je aus den Messsignalen; einen ersten Arithmetik-Abschnitt (16) zum Berechnen von Phasen (Φ) und abgeleiteten Werten von dem natürlichen Logarithmus von Amplituden (A), nach der Modulations-Winkelfrequenz, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, die in jeweiligen Messungen, zu den mehreren Timings und/oder an den mehreren Positionen erhalten werden; und einen zweiten Arithmetik-Abschnitt (17) zum Berechnen einer Differenz zwischen Absorptionskoeffizienten (μ_a1, μ_a2) als primäre Information, auf Basis von
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, und μ_x4 entweder μ_a1 ≤ μ_x4 ≤ μ_a2 oder μ_a1 ≥ μ_x4 ≥ μ_a2 erfüllt, wobei der Absorptionskoeffizient (μ_a) sich ändert (von μ_a1 zu μ_a2), mit der Änderung der Konzentration eines absorptiven Bestandteils des streuenden Mediums.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die zweite Arithmetik-Einheit (17) ferner die Differenz der Konzentration eines absorptiven Bestandteils berechnet, auf Basis von ∊ ΔV = μa2 – μa1 wobei ∊ ein Absorptionskoeffizient pro Einheit der Konzentration eines absorptiven Bestandteils ist, und ΔV die Differenz der Konzentration des absorptiven Bestandteils ist.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2) nach Anspruch 12, wobei der Lichteinfalls-Abschnitt (10, 12) angepasst ist, mehrere modulierte Lichtstrahlen einfallen zu lassen, welche eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweisen, und welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, bei welchen Streukoeffizienten eines Messobjekts im Wesentlichen zueinander gleich sind; wobei der Photodetektions-Abschnitt (13, 14) angepasst ist, die modulierten Lichtstrahlen für die jeweiligen Wellenlängen zu empfangen; und wobei der erste Arithmetik-Abschnitt (16) angepasst ist, Sinuskomponenten (R) und abgeleitete Werte von Kosinuskomponenten (X), nach der Modulations-Winkelfrequenz, zu berechnen, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, die für die jeweiligen Wellenlängen erhalten werden.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums nach Anspruch 13, wobei der Lichteinfalls-Abschnitt (10, 12) angepasst ist, mehrere modulierte Lichtstrahlen einfallen zu lassen, welche eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweisen, und welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, bei welchen Streukoeffizienten eines Messobjekts im Wesentlichen zueinander gleich sind; wobei der Photodetektions-Abschnitt (13, 14) angepasst ist, die modulierten Lichtstrahlen für die jeweiligen Wellenlängen zu empfangen; und wobei der erste Arithmetik-Abschnitt (16) angepasst ist, Kosinuskomponenten (X) und abgeleitete Werte von Sinuskomponenten (R), nach der Modulations-Winkelfrequenz, zu berechnen, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, die für die jeweiligen Wellenlängen erhalten werden.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2) nach Anspruch 14, wobei der Lichteinfalls-Abschnitt (10, 12) angepasst ist, mehrere modulierte Lichtstrahlen einfallen zu lassen, welche eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweisen, und welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, bei welchen Streukoeffizienten eines Messobjekts im Wesentlichen zueinander gleich sind; wobei der Photodetektions-Abschnitt (13, 14) angepasst ist, die modulierten Lichtstrahlen für die jeweiligen Wellenlängen zu empfangen; und wobei der erste Arithmetik-Abschnitt (16) angepasst ist, Amplituden (A) und abgeleitete Werte von Phasen (Φ), nach der Modulations-Winkelfrequenz, zu berechnen, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, die für die jeweiligen Wellenlängen erhalten werden.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2) nach Anspruch 15, wobei der Lichteinfalls-Abschnitt (10, 12) angepasst ist, mehrere modulierte Lichtstrahlen einfallen zu lassen, welche eine vorbestimmte Modulations-Winkelfrequenz (ω) aufweisen, und welche unterschiedliche Wellenlängen aufweisen, bei welchen Streukoeffizienten eines Messobjekts im Wesentlichen zueinander gleich sind; wobei der Photodetektions-Abschnitt (13, 14) angepasst ist, die modulierten Lichtstrahlen für die jeweiligen Wellenlängen zu empfangen; und wobei der erste Arithmetik-Abschnitt (16) angepasst ist, Phasen (Φ) und abgeleitete Werte des natürlichen Logarithmus von Amplituden (A), nach der Modulations-Winkelfrequenz, zu berechnen, aus den Signalen der Modulations-Winkelfrequenz, die für die jeweiligen Wellenlängen erhalten werden.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2) nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei der zweite Arithmetik-Abschnitt (17) ferner angepasst ist, eine Konzentration eines absorptiven Bestandteils zu quantifizieren, auf Basis von V(∊2 – ∊1) = μa2 – μa1 wobei ∊₁ und ∊₂ Absorptionskoeffizienten pro Einheit der Konzentration eines absorptiven Bestandteils bei den jeweiligen Wellenlängen sind, und V die Konzentration des absorptiven Bestandteils ist.
Vorrichtung zum Messen von Absorptionsinformation eines streuenden Mediums (2) nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der Photodetektions-Abschnitt (13, 14) einen Lichtempfangs-Abschnitt umfasst, der in der Lage ist, die Lichtstrahlen an mehreren Positionen an der Oberfläche des Messobjekts zu empfangen, und wobei die Messsignale mehrere Messsignale sind, die erhalten werden, wenn die Lichtstrahlen an den mehreren Positionen an der Oberfläche des Messobjekts empfangen werden.