DE69633890T2

DE69633890T2 - Vorrichtung zur Messung interner Information in streuenden Medien

Info

Publication number: DE69633890T2
Application number: DE69633890T
Authority: DE
Inventors: Yutaka Hamamatsu-shi Tsuchiya; Yutaka Hamamatsu-shi Yamashita
Original assignee: Technology Research Association of Medical and Welfare Apparatus
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1995-08-08
Filing date: 1996-08-08
Publication date: 2005-03-31
Anticipated expiration: 2016-08-09
Also published as: DE69633890D1; EP0758082B1; EP0758082A2; US5836883A; EP0758082A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine nicht invasive Messvorrichtung für interne Informationen in streuenden Medien, die in der Medizin, in der Wissenschaft und dergleichen zur Anwendung kommt. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus dem Dokument EP-A-0656537 bekannt, welches eine Vorrichtung gemäß der Präambel von Anspruch 1 offen legt. Konkret betrifft die vorliegende Erfindung eine Messvorrichtung, die optische Streueigenschaften und/oder optische Absorptionseigenschaften innerhalb von streuenden Medien, z. B. lebendem Gewebe, misst, wodurch Daten erlangt werden, wie beispielsweise jene, die Veränderungen bei verschiedenen charakteristischen Werten im Verlaufe der Zeit und deren räumlicher Verteilung betreffen.
Dazugehöriger Stand der Technik
Zum Messen verschiedener Eigenschaften bezüglich der optischen Streueigenschaften und der optischen Absorptionseigenschaften von streuenden Medien, wie beispielsweise lebendem Gewebe, wurde herkömmlicherweise bekanntlich ein streuendes Medium, das gemessen werden sollte, mit Messlicht bestrahlt, das ausgebreitete Licht wurde erfasst, und anschließend wurde das Zeitverhalten des erfassten Lichtes analysiert. Allgemein ist zur Ausführung einer Mehrkomponentenmessung an dem streuenden Medium eine für ein derartiges Verfahren verwendete Vorrichtung mit einer Lichtquelle zum Erzeugen von impulsartigen Lichtstrahlen mit wenigstens zwei Arten von Wellenlängen ausgestattet. Als Verfahren zum Beleuchten des streuenden Mediums mit Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge sind bislang zwei Verfahren zum Ansteuern der Lichtquelle bekannt, namentlich das sequenzielle Beleuchtungsverfahren und das alternierende Beleuchtungsverfahren.
Wenn wie in 1 eine mittels sequenziellem Beleuchtungsverfahren angesteuerte Lichtquelle beispielsweise zur Messung von Lichtstrahlen mit zwei verschiedenen Arten von Wellenlängen λ₁ und λ₂ verwendet wird, die auf ein streuendes Medium auftreffen, dann wird das streuende Medium zuerst mit dem Mess-Lichtstrahl der Wellenlänge λ₁ bestrahlt, der von der Lichtquelle in Form weniger Impulse des auftreffenden Lichtes I₁ emittiert wird. Anschließend wird das gestreute Licht mit der Wellenlänge λ₁, das von dem streuenden Medium emittiert wird, sequenziell als austretendes Licht O₁ erfasst. Nachdem die Wellenlängeneinstellung für den Lichtstrahl der Lichtquelle, die den Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ₁ erzeugt, anschließend auf die Wellenlänge von λ₂ verändert wurde, wird das streuende Medium mit dem Lichtstrahl mit der Wellenlängen λ₂ beleuchtet, der von der Lichtquelle in Form weniger Impulse auftreffenden Lichtes I₂ emittiert wird. Im Anschluss wird das gestreute Licht mit der Wellenlänge λ₂, das von dem streuenden Medium emittiert wird, sequenziell als austretendes Licht O₂ erfasst.
Wenn demgegenüber, wie in 2A und 2B dargestellt, eine Gruppe von Lichtquellen verwendet wird, die mittels alternierendem Beleuchtungsverfahren angesteuert wird, beispielsweise um Mess-Lichtstrahlen mit zwei Arten von Wellenlängen λ₁ und λ₂ zu erzeugen, die auf ein streuendes Medium auftreffen, wird das streuende Medium mit dem Lichtstrahl der Wellenlänge λ₁ bestrahlt, der von einer der Lichtquellen als auftreffendes Licht I₁ emittiert wird. Nachdem eine vorgegebene Zeitspanne nach der Bestrahlung mit dem auftreffenden Licht I₁ abgelaufen ist, wird das streuende Medium anschließend mit einem Lichtstrahl der Wellenlänge λ₂ bestrahlt, der von der anderen Lichtquelle emittiert wird. Anschließend wird das gestreute Licht mit der Wellenlänge λ₁, das von dem streuenden Medium emittiert wird, als austretendes Licht O₁ erfasst. Danach wird das gestreute Licht mit der Wellenlänge λ₂, das von dem streuenden Medium emittiert wird, als austretendes Licht O₂ erfasst.
Wenn ein sequenzielles Beleuchtungsverfahren, wie beispielsweise jenes aus 1, bei der oben erwähnten Messvorrichtung verwendet wird, um ein streuendes Medium mit den Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen zu bestrahlen, muss das Intervall der Impulslichtbestrahlung länger sein als die Dauer des von dem streuenden Medium emittierten und gestreuten Lichtes. Ansonsten sammelt sich gestreutes Licht an. Daher nimmt die Zeit zum Messen der Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes, das von dem streuenden Medium emittiert wird, proportional zur Anzahl von Wellenlängen zu, die für die Mess-Lichtstrahlen eingestellt ist. Wenn andererseits ein alternierendes Beleuchtungsverfahren wie jenes aus 2A und 2B verwendet wird, tritt das Problem auf, dass die Obergrenzen bezüglich der Frequenzen zum Erzeugen der Mess-Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen infolge eines Intervalls t₁ eingeschränkt sind, welches zwischen dem austretenden Licht O₁ und dem austretenden Licht O₂ benötigt wird, um zu verhindern, dass gestreutes Licht mit den Wellenlängen λ₁ und λ₂ miteinander vermischt werden, wodurch es schwierig wird, die Messzeit weit genug zu verkürzen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der genannten Probleme besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Messvorrichtung zu schaffen, bei der die Abhängigkeit der Messzeit von der Anzahl an Wellenlängen der Mess-Lichtstrahlen verringert werden kann, wodurch es möglich wird, die zum Messen der Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes erforderliche Zeit ausreichend zu verkürzen.
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung für interne Informationen in einem streuenden Medium umfasst:
eine Lichtquelle, die eine Vielzahl von Mess-Lichtstrahlen mit einer Vielzahl von Wellenlängen imitiert, die sich voneinander unterscheiden;
einen Strahlungs-Lichtleiter, der bewirkt, dass die Mess-Lichtstrahlen auf das streuende Medium auftreffen;
eine Wellenlängenselektionseinheit, die selektiv gestreutes Licht mit einer einzelnen Wellenlänge aus gestreutem Licht extrahiert, das den Mess-Lichtstrahlen entspricht, die streuend durch das streuende Medium weitergeleitet worden sind;
eine Fotodetektoreinheit, die eine Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes misst, das durch die Wellenlängenselektionseinheit extrahiert worden ist; und
ein Signalverarbeitungssystem, das die Lichtquelle und die Wellenlängenselektionseinheit steuert,
dadurch gekennzeichnet, dass:
das Signalverarbeitungssystem die Lichtquelle so steuert, dass sie die Mess-Lichtstrahlen jeweils mit voneinander verschiedenen Emissions-Zeitpunkten sequenziell auf das streuende Medium auftreffen lässt; und
das Signalverarbeitungssystem die Wellenlängenselektionseinheit oder den Fotodetektor synchronisiert mit der Lichtquelle so steuert, dass eine entsprechende Wellenlänge von Licht selektiert wird, das von der Lichtquelle emittiert wird.
Die oben erwähnte Wellenlängenselektionseinheit umfasst vorzugsweise den folgenden akusto-optischen Modulator. Hierbei handelt es sich konkret um einen akusto-optischen Modulator, der eine Ultraschallwelle (Vibration) auf Basis eines Steuersignals erzeugt, das von dem oben erwähnten Signalverarbeitungssystem ausgegeben wird, und eine Wellenlänge der Ultraschallwelle synchron zu dem Emissionszeitpunkt des Mess-Lichtstrahls so ändert, dass das gestreute Licht um einen Ablenkungswinkel gebeugt wird, der einem Verhältnis der Wellenlänge des gestreuten Lichtes zu der der Ultraschallwelle entspricht. In diesem Fall umfasst die oben erwähnte Fotodetektoreinheit vorzugsweise den folgenden Fotodetektor. Konkret ist es ein Fotodetektor, der auf Basis eines Steuersignals, das von dem Signalverarbeitungssystem ausgegeben wird, Erfassung des gestreuten Lichtes, das durch den akusto-optischen Modulator um den vorgegebenen Ablenkungswinkel gebeugt worden ist und dann Umwandlung des so erfassten gestreuten Lichtes durchführt, um eine zeitaufgelöste Messung zu bewirken.
Als Alternative dazu kann die oben erwähnte Wellenlängenselektionseinheit eine Vielzahl dichroitischer Spiegel wie folgt umfassen. Solche dichroitischen Spiegel sind konkret in Reihe auf einem Lichtweg des gestreuten Lichtes angeordnet, das von dem streuenden Medium zu der Fotodetektoreinheit geleitet wird, so dass Schwellen-Wellenlängen (eine Schwellen-Länge ist eine Wellenlänge an der Grenze zwischen den Wellenlängen von Licht, das von dem Spiegel reflektiert wird, und jenen von Licht, das durch den Spiegel hindurchtritt) jeweils zwischen benachbarten Wellenlängen des oben erwähnten gestreuten Lichtes (in aufsteigender bzw. absteigender Reihenfolge) positioniert und in aufsteigender bzw. absteigender Reihenfolge eingestellt sind. In diesem Fall umfasst die oben erwähnte Fotodetektoreinheit vorzugsweise eine Vielzahl von Interferenzfiltern und eine Vielzahl von Fotodetektoren in folgender Weise. Konkret haben derartige Interferenzfilter Durchlass-Mittenwellenlängen, die mit Wellenlängen des gestreuten Lichtes zusammenfallen, das von den dichroitischen Spiegeln in die Interferenzfilter eintritt, während die Fotodetektoren jeweils auf Basis eines Steuersignals, das von dem Signalverarbeitungssystem ausgegeben wird, Erfassung des gestreuten Lichtes, das in die Fotodetektoren von den Interferenzfiltern eintritt, und anschließend Umwandlung des so erfassten gestreuten Lichtes durchführen, um eine zeitaufgelöste Messung zu bewirken.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Messvorrichtung weiterhin (f) einen Erfassungs-Lichtleiter, der das gestreute Licht, das streuend durch das streuende Medium weitergeleitet worden ist, zu der Wellenlängenselektionseinheit leitet, und (g) einen Lichtformer, der optisch mit dem Erfassungs-Lichtleiter verbunden ist und das gestreute Licht bündelt, so dass es zu der Wellenlängenselektionseinheit geleitet wird.
Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Lichtquelle eine Gruppe von Lichtquellen, die jeweils auf Basis eines Steuersignals, das von dem Signalverarbeitungssystem ausgegeben wird, die Mess-Lichtstrahlen emittieren, die eine Vielzahl von Wellenlängen haben, deren Anzahl nicht kleiner ist als die der Typen lichtabsorbierender Komponenten, die in dem streuenden Medium enthalten sind und die Absorptionskoeffizienten haben, die sich voneinander in Bezug auf die lichtabsorbierenden Komponenten unterscheiden. Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung emittiert bzw. emittieren eine Lichtquelle bzw. mehrere Lichtquellen auf Basis eines Steuersignals, das von dem Signalverarbei tungssystem ausgegeben wird, Mess-Lichtstrahlen mit Wellenlängen, die sich voneinander unterscheiden, zu Emissions-Zeitpunkten, die sich periodisch voneinander unterscheiden. Diese Mess-Lichtstrahlen, die sequenziell von der Lichtquelle bzw. den Lichtquellen emittiert werden, werden mittels Strahlungs-Lichtleiter in ein streuendes Medium hineingestrahlt, und nachdem sie durch das streuende Medium streuend verteilt wurden, gelangen sie sequenziell in die Wellenlängenselektionseinheit.
Zu diesem Zeitpunkt extrahiert die Wellenlängenselektionseinheit sequenziell gestreutes Licht mit einer bestimmten Wellenlänge aus dem gestreuten Licht, das den auftreffenden Mess-Lichtstrahlen entspricht, und leitet das so extrahierte gestreute Licht zu der Fotodetektoreinheit. Selbst wenn das sequenziell von dem streuenden Medium emittierte, gestreute Licht sich gegenseitig beeinträchtigende Lichtkomponenten (gestreutes Licht mit anderen Wellenlängen) enthält, da sie infolge der zufälligen Streuung innerhalb des streuenden Mediums einen Impuls haben, der größer ist als jener zum Zeitpunkt der Emission, enthält das sequenziell von der Wellenlängenselektionseinheit emittierte, gestreute Licht demzufolge keine derartigen sich gegenseitig beeinträchtigenden Lichtkomponenten.
Da es auch dann zu keiner Verschiebung der Grundlinie (base-line shift) infolge der sich gegenseitig beeinträchtigenden Lichtkomponenten in dem gestreuten Licht kommt, das sequenziell in die Fotodetektoreinheit eintritt, wenn das Intervall der Emissionszeitpunkte für die Mess-Lichtstrahlen in einem solchen Umfang verkürzt wird, dass das von dem streuenden Medium emittierte, gestreute Licht die sich gegenseitig beeinträchtigenden Lichtkomponenten enthalten kann, kann im Ergebnis die Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes mit dem Signalverarbeitungssystem genau gemessen werden. Da das Signalverarbeitungssystem die Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes analysiert, das von der Fotodetektoreinheit gemessen wird, können anschließend interne Informationen in dem streuenden Medium, wie beispielsweise dessen optische Streuungs- und optische Absorptionseigenschaften, genau berechnet werden.
Bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung ist es unnötig, dass die Emissions-Zeitpunkte für die Mess-Lichtstrahlen ein derart großes Intervall aufweisen, dass das von dem streuenden Medium emittierte gestreute Licht keine sich gegenseitig beeinträchtigenden Lichtkomponenten enthält. Daher kann die zur Messung der Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes in Bezug auf das streuende Medium erforderliche Zeit im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren stark verkürzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen, die lediglich als Veranschaulichung und nicht als Eingrenzung der Erfindung zu verstehen sind, verständlicher.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung deutlich. Allerdings sollte klar sein, dass die detaillierte Beschreibung und die konkreten Beispiele unter Verweis auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung lediglich der Erläuterung dienen, denn für Fachleute werden aus dieser detaillierten Beschreibung verschiedene Änderungen und Modifizierungen innerhalb des erfindungsgemäßen Schutzumfanges offensichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Grafik, die temporäre Wellenformen der Mess-Lichtstrahlen zeigt, welche in ein streuendes Medium eintreten, wobei ihre Wellenlängen sequenziell nach wenigen Impulsen geändert werden, und das gestreute Licht, welches bei einer konventionellen Messvorrichtung aus dem streuenden Medium emittiert wird;
2A und 2B sind Grafiken, die temporäre Wellenformen von Mess-Lichtstrahlen, welche alternierend (mit einer Phasenverschiebung, die einer halben Wellenlänge entspricht) von einer Gruppe von Lichtquellen in ein streuendes Medium eintreten und Wellenlängen (A: λ₁; B: λ₂) haben, die sich voneinander unterscheiden, und das gestreute Licht zeigen, welches bei einer anderen konventionellen Messvorrichtung von dem streuenden Medium emittiert wird;
3 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist eine Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel eines Lichtweges von Messlicht zeigt, welches durch ein streuendes Medium in der Messvorrichtung aus 3 hindurchtritt;
5 ist eine Grafik, die temporäre Wellenformen eines Mess-Lichtimpulses, der in ein streuendes Medium eintritt und das gestreute Licht zeigt, das von dem streuenden Medium in der Messvorrichtung aus 3 emittiert wird;
6A, 6B und 6C sind Grafiken, die jeweils die temporären Wellenformen von Mess-Lichtstrahlen, die ein streuendes Medium mit ihren Wellenlängen eintreten, die für jeden einzelnen Impuls sequenziell verändert werden, eine Zeit-Durchlasscharakteristik an der Wellenlängenselektionseinheit, in die das von dem streuenden Medium emittierte gestreute Licht eintritt, und die temporären Wellenformen des gestreuten Lichtes darstellen, welches durch die Wellenlängenselektionseinheit in der Messvorrichtung aus 3 hindurchtritt;
7 ist eine Grafik, die temporäre Wellenformen von Mess-Lichtstrahlen, die in ein streuendes Medium eintreten, wobei ihre Wellenlängen sequenziell für jeden einzelnen Impuls geändert werden, und das gestreute Licht zeigt, welches von dem streuenden Medium bei der Messvorrichtung aus 3 emittiert wird;
8 ist ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Messvorrichtung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
9 ist eine Grafik, die Wellenlängen-Durchlasseigenschaften an einer Vielzahl dichroitischer Spiegel zeigt, in welche gestreutes Licht, das von einem streuenden Medium emittiert wird, sequenziell in die Messvorrichtung aus 8 eintritt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden der Aufbau und die Effekte einiger Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung anhand der 3 bis 9 genauer beschrieben. Bei der Erörterung der Zeichnungen werden identische Elemente durch identische Kennungen bezeichnet, ohne dass dabei einander überlappende Erläuterungen wiederholt werden.
Erste Ausführungsform
Wie in 3 dargestellt, verfügt eine Messvorrichtung 1 der vorliegenden Ausführungsform über ein optisches System 1a, das ein streuendes Medium 10 mit einem vorgegebenen Lichtstrahl bestrahlt und anschließend das von dem streuenden Medium 10 emittierte gestreute Licht erfasst, und über ein Signalverarbeitungssystem 1b, welches die Aktionen einzelner Instrumente, die dieses optische System 1a bilden, derart steuert, dass eine Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes analysiert wird. Hierbei ist das streuende Medium 10 ein lebendes Gewebe, welches als Messgegenstand vorliegt, von dem verschiedene Eigenschaften im Hinblick auf die optische Streuung und die optische Absorption zu messen sind und welches (n – 1) Arten optischer Absorptionskomponenten A₁ bis A_n–1 enthält, die sich voneinander unterscheiden. Diese (n – 1) Arten optischer Absorptionskomponenten A₁ bis A_n–1 haben Absorbanzwerte, die im Hinblick auf Licht mit vorgegebenem Wellenlängenbereich relativ groß und voneinander verschieden sind. Z. B. ist bei Hämoglobin, Myoglobin oder ähnlichem Licht mit einer Wellenlänge von etwa 700 bis 1.000 nm am günstigsten. Hierbei ist n eine Ganzzahl, die nicht kleiner als 2 ist.
Das optische System 1a umfasst eine erste bis eine n-te Lichtquelle 40₁ bis 40_n , die sequenziell Mess-Lichtstrahlen mit n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n zu vorgegebenen unterschiedlichen Emissions-Zeitpunkten emittieren; einen Strahlungs-Lichtleiter (optische Faser) 50, der eine vorgegebene Lichteintrittsposition des streuenden Mediums 10 mit den Mess-Lichtstrahlen bestrahlt, die sequenziell aus dieser ersten bis n-ten Lichtquelle 40₁ bis 40_n emittiert werden; einen Erfassungs-Lichtleiter (optische Faser) 60, der das gestreute Licht erfasst, das sequenziell von einer vorgegebenen Lichtaustrittsposition des streuenden Mediums 10 emittiert wird; einen Lichtformer 70, der das Muster des gestreuten Lichtes formt, das sequenziell von der Erfassungs-Lichtleitfaser 60 geleitet wird; eine Wellenlängenselektionseinheit 90, die selektiv das gestreute Licht mit einer Wellenlänge von einer der n Arten von Wellenlängen λ_i bis λ_n nacheinander aus dem gestreuten Licht extrahiert, das sequenziell von dem Lichtformer 70 her eintritt; und eine Fotodetektoreinheit 100, die das gestreute Licht, welches von der Wellenlängenselektionseinheit 90 extrahiert wird, in ein Erfassungssignal D₁ umwandelt, das anschließend ausgegeben wird.
Ebenso enthält das Signalverarbeitungssystem 1b eine zentrale Verarbeitungseinheit 20, die ein Steuersignal C₁ ausgibt, welches einen Startzeitpunkt zum Messen des streuenden Mediums 10 angibt; eine Auslöseschaltung 30, die auf der Basis des Steuersignals C₁, das von der zentralen Verarbeitungseinheit 20 ausgegeben wird, ein Auslösesignal T ausgibt, welches ein Index für die Emissionszeiten für die erste bis n-te Lichtquelle 40₁ bis 40_n wird; eine Steuerschaltung 80, die auf der Basis des Auslösesignals T, welches von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, ein Steuersignal C₂ ausgibt, das den Ansteuerzustand der Wellenlängenselektionseinheit 90 anzeigt; und eine Verstärkereinheit 110, welche das Erfassungssignal D₁ verstärkt, das von der Fotodetektoreinheit 100 ausgegeben wurde, und das so verstärkte Erfassungssignal D₂ ausgibt.
Weiterhin enthält das Signalverarbeitungssystem 1b eine CFD-(Constant-Fraction Discriminator)-Einheit 120, welche den Pegel des Erfassungssignals D₂ erfasst, das von der Verstärkereinheit 110 ausgegeben wurde, und dadurch ein Startsignal S₁ ausgibt; eine Verzögerungsschaltung 130, die ein Stoppsignal S2 ausgibt, das um einen vorgegebenen Zeitraum zu dem Auslösesignal T verzögert ist, welches von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird; einen Zeit-Amplituden-Wandler (Time-to-Amplitude Converter – TAC) 140, der ein zeitbezogenes Signal A mit einer Amplitude ausgibt, die proportional zur Zeitdifferenz zwischen dem Startsignal S₁ und dem Stoppsignal S₂ ist, das von der CFD-Einheit 120 bzw. der Verzögerungsschaltung 130 ausgegeben wird; und einen Vielkanalanalysator (MCA) 150, der auf der Basis des Steuersignals C₁, das von der zentralen Verarbeitungseinheit 20 ausgegeben wird, betätigt wird, so dass Zeitspektrumsdaten P ausgegeben werden, die dem zeitbezogenen Signal A aus dem TAC 140 entsprechen.
Im vorliegenden Fall ist die zentrale Verarbeitungseinheit 20 ein Computer zur Steuerung und Analyse, der auf der Grundlage eines vorher festgelegten Messprogramms betätigt wird, welches zuvor installiert worden ist. Die zentrale Verarbeitungseinheit 20 gibt das Steuersignal C₁ aus, so dass jeweils die Auslöseschaltung 30 und der MCA 150 angesteuert werden, während die von dem MCA 150 ausgegebenen Zeitspektrumsdaten P analysiert werden, um beispielsweise den optischen Absorptionskoeffizienten, den optischen Streukoeffizienten und die Konzentration optischer Absorptionskomponenten des streuenden Mediums 10 zu berechnen.
Die Auslöseschaltung 30 erzeugt ausgehend von den Informationen, die den Mess-Startzeitpunkt angeben, der in dem von der zentralen Verarbeitungseinheit 20 ausgegebenen Steuersignal C₁ enthalten ist, das Auslösesignal T, welches ein Index für die Emissions-Zeitpunkte der Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n wird. Diese Auslöseschaltung 30 gibt das Auslösesignal T aus, so dass jeweils die erste bis n-te Lichtquelle 40₁ bis 40_n , die Steuerschaltung 80, die Fotodetektoreinheit 100 und die Verzögerungsschaltung 130 angesteuert werden.
Bei der ersten bis n-ten Lichtquelle 40₁ bis 40_n handelt es sich um Laserdioden, die jeweils die Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n mit einer Periode τ durch Impulsoszillation aussenden. Bei dieser ersten bis n-ten Lichtquelle 40₁ bis 40_n ist der Emissions-Zeitpunkt t_oi der i-ten Lichtquelle 40_i im Hinblick auf die Eingabezeit t_o des Auslösesignals T von der Auslöseschaltung 30 durch die folgende Gleichung (1) definiert: toi = to + τ – {(m + (i – 1)/n} (1)wobei i eine Ganzzahl ist, die nicht kleiner als 1, aber nicht größer als n ist, und m eine Ganzzahl ist.
Hierbei sind die Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n, die ausgewählt werden, jene, die Absorbanzwerte (Absorptionskoeffizienten) aufweisen, die im Hinblick auf die (n – 1) Arten optischer Absorptionskomponenten A₁ bis A_n–1, die in dem Streumedium 10 enthalten sind, relativ groß und voneinander verschieden sind.
Der Strahlungs-Lichtleiter 50 ist eine Lichtleitfaser mit n Verzweigungen, die die Mess-Lichtstrahlen, die sequenziell von der ersten bis n-ten Lichtquelle 40₁ bis 40_n emittiert werden, in Mess-Lichtstrahlen umwandelt, die in zeitlicher Reihe angeordnet sind und einer zyklischen Wellenlängenumwandlung unterzogen worden sind, wobei ihre Wellenlängen für jeden einzelnen Impuls sequenziell geändert wurden. Er bestrahlt das streuende Medium 10 mit dem Mess-Lichtstrahl in Form eines Punktes. Der Erfassungs-Lichtleiter 60 ist eine Lichtleitfaser, die das gestreute Licht, das sich diffus durch das streuende Medium 10 ausgebreitet hat und sequenziell davon emittiert wurde, zu dem Lichtformer 70 leitet. Der Lichtformer 70 besteht aus einer Brechungslinse oder -linsengruppe, die das gestreute Licht, das sequenziell von dem Erfassungs-Lichtleiter 60 emittiert wurde, bündelt. Das gebündelte gestreute Licht wird anschließend zu der Wellenlängenselektionseinheit 90 geleitet.
Vorzugsweise werden zwei Arten von Abständen zwischen der Lichteintrittsposition und der Lichtaustrittsposition p₁ und p₂ als der physische Abstand zwischen der Lichteintrittsposition des streuenden Mediums 10, an dem sich ein Ende des Strahlungs-Lichtleiters 50 befindet, und der Lichtaustrittsposition eingestellt, an der sich ein Ende des Erfassungs-Lichtleiters 60 befindet. Dementsprechend ist wenigstens entweder der Strahlungs-Lichtleiter 50 oder der Erfassungs-Lichtleiter 60 so angeordnet, dass er zur Oberfläche des streuenden Mediums 10 beweglich ist.
Die Steuerschaltung 80 gibt das Steuersignal C₁ synchron zu der Eingabezeit t_o des Auslösesignals T, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, an die Wellenlängenselektionseinheit 90 aus. Die Steuerschaltung 80 gibt das Steuersignal C₂ derart aus, dass die Wellenlängenselektionseinheit 90 so angesteuert wird, dass Ultraschallwellen mit n verschiedenen Wellenlängen λ_1' bis λ_n' erzeugt werden, wenn ein Wechsel zum vorgegebenen Zeitpunkt (τ/n) erfolgt. Die n Arten von Wellenlängen λ_1' und λ_n' in den Ultraschallwellen werden im Hinblick auf die n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n in den Mess-Lichtstrahlen beispielsweise durch die folgende Gleichung (2) definiert: λ'1/λ1 = λ'2/λ2 = .... = λ'n/λn = c (2),wobei c eine Konstante ist. Die Wellenlängenselektionseinheit 90 ist ein akusto-optischer Modulator (AOM), der den optischen Brechungsindex auf der Grundlage der Schwingung einer Ultraschallwelle so ändert, dass auftreffendes Licht um den Ablenkwinkel θ gebeugt wird, der im Wesentlichen mit dem Verhältnis zwischen der Wellenlänge des auftreffenden Lichtes und der Ultraschallwelle übereinstimmt. Als Reaktion auf die Informationen, die in dem von der Steuerschaltung 80 ausgegebenen Steuersignals C₂ enthalten ist, das die Wellenlänge der Ultraschallwelle angibt, erzeugt die Wellenlängenselektionseinheit 90 die Schwingung der Ultraschallwelle. Während des Zeitraums p_j zwischen dem Emissions-Zeitpunkt t_j für den Mess-Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ_j an der j-ten Lichtquelle 40_j und dem Emissions-Zeitpunkt t_j+1 für den Mess-Lichtstrahl mit der Wellenlängen λ_j+1 an der (j + 1-ten) Lichtquelle 40_j+1 erzeugt die Wellenlängenselektionseinheit 90 eine Ultraschallwelle mit der Wellenlängen λ_j'. Hierbei ist j eine Ganzzahl, die nicht kleiner als 1 ist, aber nicht größer als n, t_n+1 = t₁ und p_n+1 = p₁. Daraufhin beugt die Wellenlängenselektionseinheit 90 das gestreute Licht, das sequenziell von dem Lichtformer 70 ausgegeben wird, um den Ablenkwinkel θ. Der Ablenkwinkel θ, um den das gestreute Licht einer Bragg-Beugung unterzogen wird, wird im Hinblick auf das Verhältnis c der n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n im gestreuten Licht zu den n Arten von Wellenlängen λ_1' und λ_n' in den Ultraschallwellen durch die folgende Gleichung (3) definiert. θ = 2sin–1(c/2) (3).
Die Fotodetektoreinheit 100 ist eine Fotomultiplierröhre, die ausgehend von dem Auslösesignal T, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, das gestreute Licht erfasst, das sequenziell von der Wellenlängenselektionseinheit 90 in selbige eintritt, nachdem es um den Ablenkwinkel θ gebeugt worden ist, und es umwandelt, wodurch das Erfassungssignal D₁ erzeugt wird. Um jede Art des gestreuten Lichtes mit einer Wellenlänge von den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n günstig zu erfassen, hat die Fotodetektoreinheit 100 vorzugsweise eine relativ hohe Spektralempfindlichkeit und -verstärkung. Weiterhin hat sie vorzugsweise einen Frequenzgang, der so hoch wie möglich ist, um die zeitaufgelöste Messung des gestreuten Lichtes günstig auszuführen. Die Verstärkereinheit 100 ist ein Verstärker, der die Amplitude des Erfassungssignals D₁ verstärkt, das von der Fotodetektoreinheit 100 ausgegeben wird, und so das Erfassungssignal D₂ erzeugt.
Die CFD-Einheit 120 ist eine Zeitfühlschaltung, die das Startsignal S₁ zu dem Zeitpunkt erzeugt, an dem eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, nachdem der Pegel des Erfassungssignals D₂, das von der Verstärkereinheit 110 ausgegeben wird, ein vorgegebenes Amplitudenverhältnis erreicht hat. Die Verzögerungsschaltung 130 erzeugt das Stoppsignal S₂, dessen Phase um eine vorgegebene Zeit von dem Eingabezeitpunkt t_o des Auslösesignals T verschoben ist, das von der Auslöseschaltung 30 aus eingegeben wurde. Der TAC 140 erzeugt das zeitbezogene Signal A mit einer Amplitude, die proportional zur Zeitdifferenz zwischen dem Eingabezeitpunkt des Startsignals S₁ bzw. des Stoppsignals S₂ ist, das von der CFD-Einheit 120 bzw. der Verzögerungsschaltung 130 ausgegeben werden.
Ausgehend von der Information, die den Mess-Startzeitpunkt angibt, der in dem Steuersignal C₁ enthalten ist, das von der zentralen Verarbeitungseinheit 20 ausgegeben wird, fraktioniert der MCA 150 das zeitbezogene Signal A, das von dem TAC 140 ausgegeben wird, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt (τ/n) und speichert sequenziell diese fraktionierten Signale in einer aus n Teilen bestehenden Speichergruppe. Anschließend analysiert der MCA 150 die Impulshöhe des zeitbezogenen Signals A und erzeugt die Zeitspektrumsdaten P als Frequenzverteilung der Impulshöhe.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Messvorrichtung 1 gemäß dieser Ausführungsform erläutert.
Wie in 3 abgebildet, gibt bei der wie oben aufgebauten Messvorrichtung 1 die zentrale Verarbeitungseinheit 20, die das vorgegebene Messprogramm gestartet hat, das Steuersignal C₁, welches den Zeitpunkt des Messbeginns angibt, an die Auslöseschaltung 30 und den MCA 150 aus. Auf der Grundlage des von der zentralen Verarbeitungseinheit 20 ausgegebenen Steuersignals C₁ gibt die Auslöseschaltung 30 das Auslösesignal T, das zu einem Index für die Emissions-Zeitpunkte der Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n wird, an jede der ersten bis n-ten Lichtquelle 40₁ bis 40_n , an die Steuerschaltung 80, die Fotodetektoreinheit 100 und die Verzögerungsschaltung 130 aus. Andererseits wird ausgehend von dem von der zentralen Verarbeitungseinheit ausgegebenen Steuersignal C₁ der MCA 150 in einen Zustand versetzt, in dem er auf Eingaben bezüglich des zeitbezogenen Signals A wartet, welches die Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n betrifft.
Auf der Basis des Auslösesignals T, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, geben die erste bis n-te Lichtquelle 40₁ bis 40_n in demselben Zeitraum τ die Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n durch Impulsoszillation aus, wobei die Phasen mit der Zeit 0, τ/n, 2τ/n, ... und (n – 1)τ/n verschoben sind. Andererseits gibt die Steuerschaltung 80 ausgehend von dem Auslösesignal T, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, das Steuersignal C₂, welches eine Bragg-Beugung mit dem Ablenkwinkel θ in Bezug auf die Mess-Lichtstrahlen erzeugt, an die Wellenlängenselektionseinheit 90 aus. Weiterhin gibt die Verzögerungsschaltung 130 das Stoppsignal S₂, dessen Phase um eine vorgegebene Zeit zu dem Auslösesignal T verschoben ist, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, an den TAC 140 aus.
Hierbei bestrahlen die Mess-Lichtstrahlen, die sequenziell von der ersten bis n-ten Lichtquelle 40₁ bis 40_n emittiert werden, das streuende Medium 10 durch den Strahlungs-Lichtleiter 50 in Form eines Punktes. Wie in 4 abgebildet, tritt ein solcher Mess-Lichtstrahl in die Lichteintrittsposition des streuenden Mediums 10 als auftreffendes Licht I ein und breitet sich diffus durch das streuende Medium aus, während es durch Absorption in selbigem gedämpft wird, bevor es von der Lichtaustrittsposition des streuenden Mediums 10 als austretendes Licht O emittiert wird. Innerhalb des streuenden Mediums 10 bewegt sich das Licht auf einem gebogenen Lichtweg, während es willkürlich durch die streuenden Komponenten, die das streuende Medium 10 bilden, gestreut wird, wobei dessen Menge exponenziell abnimmt, während es allmählich von den absorbierenden Komponenten des streuenden Mediums 10 absorbiert wird. Selbst wenn es sich bei dem auftreffenden Licht I um einen Impuls handelt, hat das austretende gestreute Licht O folglich, wie in 5 abgebildet, eine größere Impulsbreite, da es eine Komponente enthält, die von dem Emissions-Zeitpunkt des auftreffenden Lichtes I infolge der Mehrfachstreuung erheblich verzögert ist.
Aufgrund der zufälligen Streuung nimmt die Dichte des Lichtes hierbei innerhalb des streuenden Mediums 10 drastisch ab, während es im Wesentlichen über die gesamte Fläche gestreut wird. Allerdings ist in 4 lediglich ein Beispiel des Weges eines Photons, das von der Lichtaustrittsposition emittiert und an der Lichterfassungsposition des streuenden Mediums 10 erfasst wird, und ganz konkret ein Beispiel des Weges eines Photons, das tatsächlich für die Messung verwendet wird, schematisch abgebildet. Um die jeweiligen Impulsbreiten des auftreffenden Lichtes I und des austretenden Lichtes O vergleichen zu können, sind sie in 5 ebenfalls mit derselben Intensität dargestellt.
Anschließend wird, wie in 3 abgebildet, das gestreute Licht, das sequenziell von dem streuenden Medium 10 emittiert wird, von dem Strahlungs-Lichtleiter 60 erfasst und zu dem Lichtformer 70 geleitet, wo es anschließend gebündelt und zu der Wellenlängenselektionseinheit 90 gelenkt wird. Auf Grundlage des Steuersignals C₂, das von der Steuerschaltung 80 ausgegeben wird, erzeugt die Wellenlängenselektionseinheit 90 abwechselnd und synchron zu den Emissions-Zeitpunkten für die Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n die Ultraschallwellen mit den n Arten von Wellenlängen λ_1' bis λ_n'. Dementsprechend wird von dem gestreuten Licht, das in die Wellenlängenselektionseinheit 90 eintritt, lediglich das gestreute Licht mit der Wellenlänge λ₁, das der Wellenlänge λ_1' der Ultraschallwelle entspricht, der Bragg-Beugung mit dem Ablenkwinkel θ unterzogen, wodurch es sequenziell zu der Fotodetektoreinheit 100 emittiert wird.
Ausgehend von dem Auslösesignal T, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, erfasst die Fotodetektoreinheit 100 sequenziell das gestreute Licht mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n, das sequenziell über die Wellenlängenselektionseinheit 90 in sie eintritt, und wandelt es in das elektrische Signal D₁ um. Die Abtastzeit t_si im Hinblick auf das gestreute Licht mit der Wellenlänge λ₁ innerhalb des gestreuten Lichtes mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n wird im Hinblick auf die Eingabezeit t_o des Auslösesignals T, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, oder auf den Emissions-Zeitpunkt t_oi für den Mess-Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ₁ in der i-ten Lichtquelle 40_i durch die folgende Gleichung (4) definiert: tsi = to + m·τ + τ(i – 1)/n + Δt = toi + Δt (4), wobei Δt = 1/Ganzzahl der Periode τ von jedem der Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n ist. Anschließend gibt die Fotodetektoreinheit 100 das Erfassungssignal D₁ aus, das eine Amplitude hat, deren Grad dem Pegel des einzelnen Photoelektrons entspricht.
Wenn beispielsweise wie in 6A n = 3, dann werden die sequenziell in das streuende Medium 10 eintretenden Mess-Lichtstrahlen zu einer Zeitreihe, bei der eine zeitlich angeordnete Reihe von Impulsen aus dem auftreffenden Licht I₁ mit einer Wellenlänge λ₁, auftreffendem Licht I₂ mit einer Wellenlänge λ₂ und auftreffendem Licht I₃ mit einer Wellenlängen λ₃ zyklisch wiederholt wird. Wie in 6B dargestellt, erreicht in diesem Fall die Beugungsleistung, mit der die Bragg-Beugung mit dem Ablenkwinkel θ in der Wellenlängenselektionseinheit 90 erzeugt wird, einen effektiven Wert nur im Hinblick auf das Licht mit der Wellenlänge λ_j während der Periode p_j zwischen dem Emissions-Zeitpunkt t_j für das auftreffende Licht I_j mit der Wellenlängen λ_j und dem Emissions-Zeitpunkt t_j+1 für das auftreffende Licht I_j+1 mit der Wellenlänge λ_j+1. Hierbei ist j eine Ganzzahl, die nicht kleiner als 1, aber auch nicht größer als 3 ist, t₄ = t₁ und p₄ = p₁.
Wie in 7 dargestellt, bildet das gestreute Licht, das sequenziell von dem streuenden Medium 10 emittiert wird, eine Zeitreihe, bei der eine Reihe aus nacheinander austretendem Licht O₁ mit einer Wellenlänge λ_1, austretendem Licht O₂ mit einer Wellenlänge λ₂ und austretendem Licht O₃ mit einer Wellenlänge λ₃, zyklisch wiederholt wird. Da das austretende Licht O_j jedoch eine Komponente enthält, die von dem Emissions-Zeitpunkt t_j+i' für das auftreffende Licht I_j+1 zeitlich verzögert ist, enthalten das austretende Licht O_j und das austretende Licht O_j+1, die zeitlich dicht beieinander liegen, Komponenten, die innerhalb des streuenden Mediums 10 miteinander vermischt wurden. Wenn die Messvorrichtung 1 nicht mit der Wellenlängenselektionseinheit 90 ausgestattet ist, verursacht dementsprechend eine infolge solcher vermischten Komponenten auftretende Verschiebung der Grundlinie einen Fehler, wenn die optischen Absorptions- und optischen Streueigenschaften des streuenden Mediums 10 berechnet werden.
Da die Messvorrichtung 1 der vorliegenden Erfindung mit der Wellenlängenselektionseinheit 90 versehen ist, wie in 6C abgebildet, enthält jedoch das austretende Licht O_j in dem Streulicht, das sequenziell von dem streuenden Medium 10 in die Fotodetektoreinheit 100 eintritt, keine anderen Komponenten. Folglich vermischen sich das austretende Licht O_j und das austretende Licht O_j+1, die zeitlich dicht beieinander liegen, nicht in dem streuenden Medium 10, wodurch verhindert wird, dass eine Verschiebung der Grundlinie auftritt.
Anschließend gibt die Verstärkereinheit 110 das Erfassungssignal D₂, bei dem die Amplitude des Erfassungssignals D₁, das von der Fotodetektoreinheit 100 ausgegeben wird, verstärkt ist, an die CFD-Einheit 120 aus. Wenn ein vorgegebener Zeitraum abgelaufen ist, nachdem der Pegel des Erfassungssignals D₁ von der Fotodetektoreinheit 100 ein vorgegebenes Amplitudenverhältnis erreicht hat, gibt die CFD-Einheit 120 das Startsignal S₁ an den TAC 140 aus. Der TAC 140 gibt das zeitbezogene Signal A, dessen Amplitude proportional zur Zeitdifferenz zwischen den Eingabezeitpunkten des Startsignals S₁ und dem Stoppsignal S₂ ist, das von der CFD-Einheit 120 bzw. der Verzögerungsschaltung 130 ausgegeben wurde, an den MCA 150 aus. Der MCA 150 fraktioniert das zeitbezogene Signal A, das von dem TAC 140 ausgegeben wird, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt (τ/n) und speichert sequenziell diese fraktionierten Signale in einer aus n Teilen bestehenden Speichergruppe, wodurch n Arten von Zeitspektrumsdaten P, die jeweils den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n entsprechen, als Frequenzverteilung der Impulshöhe des zeitbezogenen Signals A an die zentrale Verarbeitungseinheit 20 ausgegeben werden.
Die n Arten der Zeitspektrumsdaten P, die jeweils den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n entsprechen, können im Hinblick auf zwei Arten von Abständen zwischen der Lichteintrittsposition und der Lichtaustrittsposition p₁ und p₂ gemessen werden, die sich voneinander unterscheiden, wenn wenigstens entweder der Strahlungs-Lichtleiter 50 oder der Erfassungs-Lichtleiter 60 zu der Oberfläche des streuenden Mediums 10 bewegt wird. Daher gibt der MCA 150 2n Arten von Zeitspektrumsdaten P aus, die jeweils den Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n bezüglich der zwei Arten von Abständen zwischen der Lichteintrittsposition und der Lichtaustrittsposition p₁ und p₂ entsprechen, an die zentrale Verarbeitungseinheit 20 aus. Die zentrale Verarbeitungseinheit 20 analysiert die 2n Arten von Zeitspektrumsdaten P, die von dem MCA 150 ausgegeben werden, um so beispielsweise den optischen Absorptionskoeffizienten, den optischen Streuungskoeffizienten und die Konzentration optischer Absorptionskomponenten des streuenden Mediums 10 zu berechnen.
Konkret analysiert die zentrale Verarbeitungseinheit 20 die Zeitspektrumsdaten P auf Basis der optischen Streuungstheorie. Die Erkenntnisse hinsichtlich der optischen Streuungstheorie sind detailliert in Schriften wie „Medical Physics, Band 19, Nr. 14, Seiten 879 bis 888, 1992" beschrieben. Nachfolgend wird das Prinzip der Messung der optischen Absorptions- und optischen Streuungseigenschaften des streuenden Mediums 10 erörtert.
Zuerst kann die optische Streuungsgleichung bezüglich eines Mess-Lichtstrahls mit der Wellenlängen λ im Hinblick auf die Photonenfluenzrate φ(r, t) und die Photonenquellenrate S(r, t) entsprechend der Position r und der Zeit t durch die folgende Gleichung (5) definiert werden.
wobei: φ(r, t): Photonenfluenzrate [mm^–2·s^–1],
D(λ: Optischer Streuungskoeffizient [mm],
μ_a(λ: Optischer Absorptionskoeffizient [mm^–1],
c: Lichtgeschwindigkeit im Medium [mm·s^–1] und
S(r, t): Photonenquellenrate [mm^–3·s^–1].
Die Lichtgeschwindigkeit c wird als Reaktion auf den Brechungsindex des streuenden Mediums 10 definiert.
Da der Mess-Lichtstrahl hier wie ein Impuls in Schwingung versetzt wird, kann die Photonenquellenrate S(r, t) als eine Delta-Funktion ausgedrückt werden. Daher wird der Ausdruck der optischen Streuung bezüglich des Mess-Lichtstrahls, der in das streuende Medium 10 eintritt, so dass er dem Ursprung (r = 0) und der Anfangszeit (t = 0) entspricht, durch die folgende Gleichung (6) definiert:
Zwischen den einzelnen optischen Konstanten, die in der Gleichung (6) verwendet werden, befinden sich Beziehungen, die durch die folgenden beiden Gleichungen (7) und (8) definiert sind: D(λ) = [3{μα(λ) + μts(λ)}]–1 μts(λ) = (1 – g)μs(λ) (7/8)wobei: μ_ts(λ: optischer Transport-Streukoeffizient [mm^–1],
μ_s(λ: optischer Streukoeffizient [mm^–1] und
g: Mittelwert von cosβ mit Bezug auf den Streuwinkel β.
Weiterhin kann in Fällen, in denen die Achse der Koordinate p auf und entlang der Oberfläche des streuenden Mediums 10 eingestellt ist, während die Achse der Koordinate z senkrecht zur Oberfläche des streuenden Mediums 10 eingestellt ist, so dass sie in selbiges hinein gerichtet ist, der Grenzzustand der optischen Streuungsgleichung, angegeben durch Gleichung (6) annähernd erreicht werden, wenn die mittlere Streuungslänge z_o für die Annahme verwendet wird, dass eine Lichtquelle an einem negativen Punkt an einer Position (p = 0, z = –z_o) befindlich ist. Daher wird die Lösung der optischen Streuungsgleichung als optische Intensität I an einer Position (p, 0) an der Oberfläche des streuenden Mediums 10 zum Zeitpunkt t durch die folgende Gleichung (9) definiert: I(p, O, t) = {4πD(λ) – c}–3/2 – t–s/2 – exp{–μs(λ) – c – t} = zo – exp(–(z20 + p2)/{4D(λ) – c – t}) (9),wobei: I(p, 0, t): Optische Intensität [mm^–2·s^–1].
Andererseits ist die mittlere optische Weglänge L des Mess-Lichtstrahls, der in das streuende Medium 10 derart eintritt, dass er dem Ursprung (r = 0) und der Anfangszeit (t = 0) im Hinblick auf den Abstand p zwischen der Lichteintrittsposition und der Lichtaustrittsposition des streuenden Mediums 10 entspricht, so definiert, wie durch die folgende Gleichung (10) ausgedrückt:
Die Erkenntnisse zu einer derartigen mittleren optischen Weglänge sind detailliert in Schriften wie beispielsweise Phys. Med. Biol., Band 37, Nr. 7, Seite 1.531 bis 1.560, 1992 beschrieben.
Ausgehend von den beiden obigen Gleichungen (9) und (10) wird die mittlere optische Weglänge des Mess-Lichtstrahls durch folgende Gleichung (11) ausgedrückt: L(ρ) = (3/2){μα(λ) + μts(λ)}(ρ2 + z20 )/ [1 + {3(ρ2 + z0 2)(μα(λ)2 + μα(λ) – μts(λ))}1/2] (11)oder
Wenn zwei Arten von Zeitspektrumsdaten P, die den beiden Arten von Abständen p₁ und p₂ zwischen der Lichteintrittsposition und der Lichtaustrittsposition bezüglich des Mess-Lichtstrahls mit der Wellenlänge λ in die Gleichung (10) eingegeben werden, können somit zwei Arten mittlerer optischer Längen L(p₁) und L(p₂) berechnet werden. Diese beiden Arten mittlerer optischer Weglängen L(p₁) und L(p₂) werden in die Gleichung (11) eingegeben, um simultane Gleichungen zu bilden, die gelöst werden können, damit der optische Absorptionskoeffizient μ_a(λ) und der optische Transport-Streukoeffizient μ_ts(λ) berechnet werden können.
Wenn dementsprechend die beiden Arten von Zeitspektrumsdaten P, die den beiden Arten von Abständen p₁ und p₂ zwischen der Lichteintrittsposition und der Lichtaustrittsposition bezüglich jedes der Mess-Lichtstrahlen mit jeweils den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n genauso analysiert werden, lassen sich n Arten optischer Absorptionskoeffizienten μ_a(λ₁) bis μ_a(λ_n) und n Arten optischer Transport-Streukoeffizienten μ_ts(λ₁) bis μ_ts(λ_n) berechnen.
Weiterhin ist ausgehend von dem Lambert-Beerschen Gesetz der optische Absorptionskoeffizient μ_a des streuenden Mediums 10 im Hinblick auf den Mess-Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ im Hinblick auf die (n – 1) Arten optischer Absorptionskomponenten A₁ bis A_n–1 definiert, wie durch die folgende Gleichung (12) ausgedrückt:
wobei:
_ak(λ) modularer Extinktionskoeffizient der optischen Absorptionskomponente A_k [mm^–1·mM^–1],
[A_k: Modulare Konzentration der optischen Absorptionskomponente A_k [mm] und
α(λ): Optischer Hintergrund (Absorptionsterm).
Hierbei ist k eine Ganzzahl, die nicht kleiner als 1 ist, jedoch auch nicht größer als n – 1.
In Fällen, in denen n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n, die dazu führen, dass n Arten von optischen Hintergrund-Absorptionstermen α(λ₁) bis α(λ₁) miteinander übereinstimmen, zuvor als die Wellenlängen der Mess-Lichtstrahlen ausgewählt werden, können die modularen Extinktionskoeffizienten
_A1(λ₁) bis
_An–1(λ₁),
_A1(λ₂) bis
_An–1(λ₂), ...,
_A1(λ_n) bis
_An–1(λ_n) von den (n – 1) Arten optischer Absorptionskompontenten A₁ bis A_n im Hinblick auf die Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n jeweils gemessen, so können gleichzeitig diese n – 1) Arten modularer Extinktionskoeffizienten
_A1(λ₁) bis
_An–1(λ₁),
_A1(λ₂) bis
_An–1(λ₂), ...,
_A1(λ_n) bis
_An–1(λ_n) zusammen mit den n Arten optischer Absorptionskomponenten μ_a(λ₁) bis μ_a(λ_n) in eine Gleichung (12) eingegeben werden, die simultane Gleichungen bilden, die aufgelöst werden können, um die modularen Konzentrationen [A₁] bis [A_n–1] der (n – 1) Arten der optischen Adsorptionskomponenten A₁ bis A_n–1 zu berechnen.
Auf diese Art und Weise kann die zentrale Verarbeitungseinheit 20 die 2n Arten von Zeitspektrumsdaten P analysieren, die aus dem MCA 150 ausgegeben werden, um als die optischen Absorptions- und optischen Streueigenschaften des streuenden Mediums 10 die n Arten optischer Absorptionskoeffizienten μ_a(λ₁) bis μ_a(λ_n), n Arten von optischen Transport-Streukoeffizienten μ_ts(λ₁) bis μ_ts(λ_n) und die modularen Konzentrationen [A₁] bis [A_n–1] der (n – 1) Arten optischer Absorptionskomponenten A₁ bis A_n–1 zu berechnen.
Zweite Ausführungsform
Wie in 8 abgebildet, ist eine Messvorrichtung 2 der vorliegenden Ausführungsform fast genauso wie die Messvorrichtung 1 der ersten Ausführungsform aufgebaut. Allerdings fehlt bei dieser Messvorrichtung 2 die Steuerschaltung 80 und der Innenaufbau der Wellenlängenselektionseinheit 90 der Fotodetektoreinheit 100 der Verstärkereinheit 110 und der CFD-Einheit 120 ist abgeändert.
Hierbei umfasst die Wellenlängenselektionseinheit 90 einen ersten bis (n – 1)ten dichroitischen Spiegel 91₁ bis 91_n–1 , die in Reihe entlang der optischen Achse des gestreuten Lichtes angeordnet sind, das von dem Lichtformer 70 emittiert wird, um sequenziell und selektiv gestreutes Licht mit n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n aus dem gestreuten Licht zu extrahieren, das sequenziell von dem Lichtformer 70 in die Wellenlängenselektionseinheit 90 eintritt. Dieser erste bis (n – 1)te dichroitische Spiegel 91₁ bis 91_n–1 haben Schwellen-Wellenlängen, die in aufsteigender oder absteigender Reihenfolge eingestellt sind, um das gestreute Licht, das sequenziell von dem Lichtformer 70 emittiert wird, zu reflektieren oder durchzulassen, bzw. zwischen den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n jeweils zwischen dicht beieinander gelegenen, benachbarten Wellenlängen in aufsteigender oder absteigender Reihenfolge positioniert sind.
Zum Beispiel haben wie in 9 der erste bis (n – 1)te dichroitische Spiegel 91₁ bis 91_n–1 (n – 1) Arten von Wellenlängen-Durchlassverteilungen d₁ bis d_n–1, die maximale Durchlasswerte im Hinblick auf das Licht mit Wellenlängen haben, die länger sind als jene nahe der Wellenlängen mit den (n – 1) Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n–1. Konkret reflektiert von dem ersten bis (n – 1)ten dichroitischen Spiegel 91₁ bis 91_n–1 der h-te dichroitische Spiegel 91_h die Lichtkomponente mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als eine nahe gelegene Wellenlänge λ_h, die in dem Mess-Lichtstrahl enthalten ist, der von dem (h – 1)ten dichroitischen Spiegel 91_h–1 eintritt, so dass es an den h-ten Interferenzspiegel 101_h ausgegeben wird, der später beschrieben und erläutert wird, während eine Lichtkomponente mit einer Wellenlänge, die länger ist als jene nahe der Wellenlänge λ_h durchgelassen wird, so dass sie zu dem (h + 1)ten dichroitischen Spiegel 91_h+1 ausgegeben wird. Hierbei ist h eine Ganzzahl, die nicht kleiner als 1 ist, aber auch nicht größer als n – 1. Die n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n sind in aufsteigender Reihenfolge eingestellt.
Der erste dichroitische Spiegel 91₁ lässt von dem gestreuten Licht, das sequenziell über den Lichtformer 70 in ihn eintritt, eine Lichtkomponente mit einer Wellenlänge hindurch, die länger ist als jene nahe der Wellenlänge λ₁, während eine Lichtkomponente mit einer Wellenlänge nahe der Wellenlänge λ₁ zu dem ersten Interferenzfilter 101₁ reflektiert wird. Ebenso lässt der h-te dichroitische Spiegel 91_h von dem gestreuten Licht, welches sequenziell durch den (h – 1)ten dichroitischen Spiegel 91_h–1 in ihn eintritt, eine Lichtkomponente mit einer Wellenlänge hindurch, die länger ist als jene der Wellenlänge λ_h–1, so dass sie zu dem h-ten Interferenzfilter 101_h emittiert wird.
Die Fotodetektoreinheit 100 umfasst den ersten bis n-ten Interferenzfilter 101₁ bis 101_n , die parallel entlang der optischen Achse der Lichtkomponenten angeordnet sind, die von dem ersten bis (n – 1)ten dichroitischen Spiegel 91₁ bis 91_n–1 emittiert werden, welche die Wellenlängenselektionseinheit 90 bilden, um präzise das gestreute Licht mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n aus dem gestreuten Licht herauszufiltern, das von dem ersten bis (n – 1)ten dichroitischen Spiegel 91₁ bis 91_n–1 sowie von dem ersten bis n-ten Fotodetektor 102₁ bis 102_n reflektiert (oder im Falle der Wellenlängen λ_n hindurchgelassen) wird, die parallel zu den optischen Achsen der Lichtkomponenten, die von dem ersten bis (n – 1)ten dichroitischen Spiegel 91₁ bis 91_n–1 emittiert werden, um das gestreute Licht, welches über den ersten bis n-ten Interferenzfilter 101₁ bis 101_n in sie eintritt, in n_n Arten von Erfassungssignalen D₁₁ bis D₁ umzuwandeln, die anschließend ausgegeben werden. Das erste bis (n – 1)te Interferenzfilter 101₁ bis 101_n–1 sind jeweils auf den optischen Achsen des gestreuten Lichtes angeordnet, das von dem ersten bis (n – 1)ten dichroitischen Spiegel 91₁ bis 91_n–1 reflektiert wird, wohingegen das n-te Interferenzfilter 101_n auf der optischen Achse des gestreuten Lichtes angeordnet ist, das durch den n-ten dichroitischen Spiegel 91_n hindurchgelassen wird. Dieses erste bis n-te Interferenzfilter 101₁ bis 101_n haben jeweils Durchlassmittenwellenlängen, die in aufsteigender oder absteigender Reihenfolge eingestellt sind, so dass sie das gestreute Licht hindurch lassen, welches von dem ersten bis (n – 1)ten dichroitischen Spiegel 91₁ bis 91_n–1 emittiert wird, das mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n übereinstimmt.
Der erste bis n-te Fotodetektor 102₁ bis 102_n sind Photomultiplierröhren, die auf Basis des Auslösesignals T, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, das gestreute Licht erfassen, welches sequenziell über das erste bis n-te Interferenzfilter 101₁ bis 101_n in sie hineingelangt, und wandeln es anschließend in Erfassungssignale um, wodurch die n Arten von Erfassungssignalen D₁₁ bis D_1n erzeugt werden. Um das jeweilige ge streute Licht mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n günstig zu erfassen, haben der erste bis n-te Fotodetektor 102₁ bis 102_n vorzugsweise eine relativ große Spektralempfindlichkeit und -verstärkung. Um weiterhin die zeitaufgelöste Messung des gestreuten Lichtes günstig ausführen zu können, haben sie zudem einen Frequenzgang, der so groß wie möglich ist.
Die Verstärkereinheit 110 bilden der erste bis n-te Verstärker 111₁ bis 111_n , die dem ersten bis n-ten Fotodetektor 102₁ bis 102_n parallel nachgelagert sind, um die n Arten von Erfassungssignalen D₁₁ bis D_1n zu verstärken, die von dem ersten bis n-ten Fotodetektor 102₁ bis 102_n ausgegeben werden, welche die Fotodetektoreinheit 100 bilden, wodurch die n Arten von Erfassungssignalen D₂₁ bis D_2n ausgegeben werden. Dieser erste bis n-te Verstärker 111₁ bis 111_n sind Verstärker, die jeweils die Amplituden der n Arten der Erfassungssignale D₁₁ bis D_1n verstärken, die von dem ersten bis n-ten Fotodetektor 102₁ bis 102_n ausgegeben werden, wodurch die n Arten von Erfassungssignalen D₂₁ bis D_2n erzeugt werden.
Die CFD-Einheit 120 wird von den ersten bis n-ten CFD 121₁ bis 121_n gebildet, die parallel dem ersten bis n-ten Verstärker 111₁ bis 111_n nachgelagert sind, die die Verstärkereinheit 110 bilden, um die Pegel der n Arten von Erfassungssignalen D₂₁ bis D_2n zu erfassen, die von dem ersten bis n-ten Verstärker 111₁ bis 111_n ausgegeben werden, wodurch n Arten von Startsignalen S₁₁ bis S_1n als Startsignal S₁ ausgegeben werden. Bei diesem ersten bis n-ten CFD 121₁ bis 121_n handelt es sich um Zeiterfassungsschaltungen, die jeweils die n Arten von Startsignalen S₁₁ bis S_1n in dem Moment erzeugen, da eine vorgegebene Zeit abgelaufen ist, nachdem die Pegel der n Arten von Erfassungssignalen D₂₁ bis D_2n, die aus dem ersten bis n-ten Verstärker 111₁ bis 111_n ausgegeben wurden, ein vorgegebenes Amplitudenverhältnis erreicht haben.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Messvorrichtung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform erörtert.
Wie in 8 abgebildet, gibt bei der wie oben aufgebauten Messvorrichtung 2 die zentrale Verarbeitungseinheit 20, die das vorgegebene Messprogramm gestartet hat, das Steuersignal C₁, welches den Zeitpunkt des Messbeginns angibt, an die Auslöseschaltung 30 und den MCA 150 aus. Auf der Grundlage des von der zentralen Verarbeitungseinheit 20 ausgegebenen Steuersignals C₁ gibt die Auslöseschaltung 30 das Auslösesignal T, das zu einem Index für die Emissions-Zeitpunkte der Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n wird, an jede der ersten bis n-ten Lichtquelle 40₁ bis 40_n , an die Steuerschaltung 80, die Fotodetektoreinheit 100 und die Verzögerungsschaltung 130 aus. Andererseits wird ausgehend von dem von der zentralen Verarbei tungseinheit ausgegebenen Steuersignal C₁ der MCA 150 in einen Zustand versetzt, in dem er auf Eingaben bezüglich des zeitbezogenen Signals A wartet, welches die Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n betrifft.
Auf der Basis des Auslösesignals T, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, geben die erste bis n-te Lichtquelle 40₁ bis 40_n in demselben Zeitraum τ die Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n durch Impulsoszillation aus, wobei die Phasen mit der Zeit 0, τ/n, 2τ/n, ... und (n – 1)τ/n verschoben sind. Andererseits gibt die Verzögerungsschaltung 130 das Stoppsignal S₂, dessen Phase um eine vorgegebene Zeit zu dem Auslösesignal T verschoben ist, das von der Auslöseschaltung 30 ausgegeben wird, an den TAC 140 aus.
Hierbei werden die Mess-Lichtstrahlen, die sequenziell von der ersten bis n-ten Lichtquelle 40₁ bis 40_n emittiert werden, von dem Strahlungs-Lichtleiter 50 zu einem Punkt gebündelt und bestrahlen das streuende Medium 10. Die Mess-Lichtstrahlen, die sequenziell in die Lichteintrittsposition des streuenden Mediums 10 eintreten, werden durch das streuende Medium 10 diffus verteilt, während sie durch Absorption innerhalb des Mediums gedämmt werden. Anschließend wird das gestreute Licht, welches sequenziell von der Lichtaustrittsposition des streuenden Mediums 10 emittiert wird, von dem Erfassungs-Lichtleiter 60 erfasst und zu dem Lichtformer 70 gelenkt, wo es daraufhin gebündelt und zu der Wellenlängenselektionseinheit 90 gelenkt wird.
Wenn das gestreute Licht, das sequenziell in die Wellenlängenselektionseinheit 90 eintritt, sequenziell durch den ersten bis (n – 1)ten dichroitischen Spiegel 91₁ bis 91_n–1 gelangt, werden nacheinander eine Lichtkomponente mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als jene nahe der Wellenlänge λ₁, eine Lichtkomponente mit einer Wellenlänge, die länger ist als jene nahe der Wellenlänge λ₁, jedoch kürzer als jene nahe der Wellenlänge λ₂, ..., und eine Lichtkomponente mit einer Wellenlänge, die länger ist als jene nahe der Wellenlänge λ_n–2, jedoch kürzer als jene nahe der Wellenlänge λ_n–1, reflektiert und jeweils zu dem ersten bis (n – 1)ten Interferenzfilter 101₁ bis 101_n–1 geleitet, die die Fotodetektoreinheit bilden. Das gestreute Licht, das durch den (n – 1)ten dichroitischen Spiegel 91_n–1 hindurchgelassen wird, hat eine Wellenlänge, die länger ist als jene nahe der Wellenlänge λ_n, und wird zu dem n-ten Interferenzfilter 101_n geleitet, das die Fotodetektoreinheit 100 bildet.
In der Fotodetektoreinheit 100 wird das gestreute Licht, welches in das erste bis n-te Interferenzfilter 101₁ bis 101_n eintritt, als das gestreute Licht mit einer der n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n gefiltert und anschließend zu dem ersten bis n-ten Fotodetektor 102₁ bis 102_n geleitet. Ausgehend von dem Auslösesignal T, das aus der Auslöseschal tung 30 ausgegeben wird, erfassen der erste bis n-te Fotodetektor 102₁ bis 102_n sequenziell das gestreute Licht mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n, die jeweils über das erste bis n-te Interferenzfilter 101₁ bis 101_n in sie eintreten und wandeln dann das erfasste gestreute Licht in die n Arten von Erfassungssignalen D₁₁ bis D_1n um, damit diese zu dem ersten bis n-ten Verstärker 111₁ bis 111_n ausgegeben werden, welche die Verstärkereinheit 110 bilden.
Wenn beispielsweise wie in 6A n = 3, werden die sequenziell in das streuende Medium 10 eintretenden Mess-Lichtstrahlen zu einer Zeitreihe, bei der eine zeitlich angeordnete Reihe von Impulsen aus dem auftreffenden Licht I₁ mit einer Wellenlänge λ₁, auftreffendem Licht I₂ mit einer Wellenlänge λ₂ und auftreffendem Licht I₃ mit einer Wellenlängen λ₃ zyklisch wiederholt wird.
Wie in 7 dargestellt, bildet das gestreute Licht, das sequenziell von dem streuenden Medium 10 emittiert wird, eine Zeitreihe, bei der eine Reihe aus nacheinander austretendem Licht O₁ mit einer Wellenlänge λ₁, austretendem Licht O₂ mit einer Wellenlänge λ₂ und austretendem Licht O₃ mit einer Wellenlänge λ₃, zyklisch wiederholt wird. Da das austretende Licht O_j jedoch eine Komponente enthält, die von dem Emissions-Zeitpunkt t_j+i' für das auftreffende Licht I_j+1 zeitlich verzögert ist, enthalten das austretende Licht O_j und das austretende Licht O_j+1, die zeitlich dicht beieinander liegen, Komponenten, die innerhalb des streuenden Mediums 10 miteinander vermischt werden. Wenn die Messvorrichtung 2 dementsprechend nicht mit der Wellenlängenselektionseinheit 90 ausgestattet ist, verursacht dementsprechend eine infolge solcher vermischten Komponenten auftretende Verschiebung der Grundlinie einen Fehler, wenn die optischen Absorptions- und optischen Streueigenschaften des streuenden Mediums 10 berechnet werden.
Da die Messvorrichtung 2 der vorliegenden Erfindung mit einer Wellenlängenselektionseinheit 90 ausgestattet ist, wie in 6C dargestellt, wird jedoch das Licht, das jeweils in den ersten bis n-ten Fotodetektor 102₁ bis 102_n von dem streuenden Medium 10 aus eintritt, in n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n fraktioniert. Folglich enthält das austretende Licht O_j keine Komponente, die von dem Emissions-Zeitpunkt t_j+1 für das auftreffende Licht I_j+1 zeitlich verzögert ist.
Somit enthalten das austretende Licht O_j und das austretende Licht O_j+1, die zeitlich dicht beieinander liegen, keine Komponenten, die innerhalb des streuenden Mediums 10 miteinander vermischt sind, wodurch eine Verschiebung der Grundlinie verhindert wird. Hierbei ist j eine Ganzzahl, die nicht kleiner ist als 1, aber auch nicht größer als 3 ist, t₄ = t₁ und p₄ = p₁.
Anschließend geben der erste bis n-te Verstärkter 111₁ bis 111_n jeweils die n Arten von Erfassungssignalen D₂₁ bis D_2n, bei denen die Amplituden der n Arten von Erfassungssignalen D₁₁ bis D_1n verstärkt sind, die jeweils von dem ersten bis n-ten Fotodetektor 102_n bis 102_n ausgegeben werden, an den ersten bis n-ten CFD 121₁ bis 121_n aus, die die CFD-Einheit 120 bilden. Wenn eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist, nachdem die Pegel der n Arten von Erfassungssignalen D₂₁ bis D_2n, die von dem ersten bis n-ten Verstärker 111₁ bis 111_n ausgegeben wurden, ein vorgegebenes Amplitudenverhältnis erreicht haben, geben der erste bis n-te CFD 121₁ bis 121_n die n Arten von Startsignalen S₁₁ bis S_1n als Startsignal S₁ an die TAC 140 aus.
Der TAC 140 gibt das zeitbezogene Signal A, dessen Amplitude proportional zur Zeitdifferenz zwischen den Eingabezeitpunkten des Startsignals S₁ und dem Stoppsignal S₂ ist, das von der CFD-Einheit 120 bzw. der Verzögerungsschaltung 130 ausgegeben wurde, an den MCA 150 aus. Der MCA 150 fraktioniert das zeitbezogene Signal A, das von dem TAC 140 ausgegeben wird, zu einem vorgegebenen Zeitpunkt (τ/n) und speichert sequenziell diese fraktionierten Signale in einer aus n Teilen bestehenden Speichergruppe, während der Wert der Wellenhöhe des zeitbezogenen Signals A analysiert wird, wodurch n Arten von Zeitspektrumsdaten P, die jeweils den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n entsprechen, als Frequenzverteilung der Impulshöhe des zeitbezogenen Signals A an die zentrale Verarbeitungseinheit 20 ausgegeben werden.
Die n Arten der Zeitspektrumsdaten P, die jeweils den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n entsprechen, können im Hinblick auf zwei Arten von Abständen zwischen der Lichteintrittsposition und der Lichtaustrittsposition p₁ und p₂ gemessen werden, die sich voneinander unterscheiden, wenn wenigstens entweder der Strahlungs-Lichtleiter 50 oder der Erfassungs-Lichtleiter 60 zu der Oberfläche des streuenden Mediums 10 bewegt wird. Daher gibt der MCA 150 2n Arten von Zeitspektrumsdaten P aus, die jeweils den Mess-Lichtstrahlen mit den n Arten von Wellenlängen λ₁ bis λ_n bezüglich der zwei Arten von Abständen zwischen der Lichteintrittsposition und der Lichtaustrittsposition p₁ und p₂ entsprechen, an die zentrale Verarbeitungseinheit 20 aus. Die zentrale Verarbeitungseinheit 20 analysiert die 2n Arten von Zeitspektrumsdaten P, die von dem MCA 150 ausgegeben werden, um so beispielsweise den optischen Absorptionskoeffizienten, den optischen Streuungskoeffizienten und die Konzentration optischer Absorptionskomponenten des streuenden Mediums 10 zu berechnen.
Hierbei kann die vorliegende Erfindung, ohne durch die vorangehenden Ausführungsformen eingeschränkt zu sein, verschiedenen Abwandlungen unterzogen werden. So umfasst beispielsweise bei den vorangehenden Ausführungsformen die Wellenlängense lektionseinheit einen akusto-optischen Modulator bzw. eine mehrstufige dichroitische Spiegelgruppe, die lediglich das gestreute Licht mit einer vorgegebenen Wellenlänge aus dem gestreuten Licht mit einer Vielzahl von Wellenlängen selektiv extrahiert. Solange die Wellenlänge jedoch in ähnlicher Art und Weise mit Bezug auf das gestreute Licht ausgewählt werden kann, können verschiedene Einrichtungen, wie beispielsweise ein Prisma oder ein Richtungskoppler, als Wellenlängenselektionseinheit verwendet werden.
Ebenso umfasst bei den vorangehenden Ausführungsformen eine Vielzahl der Lichtquellen Laserdioden, die Mess-Lichtstrahlen mit verschiedenen Wellenlängen zu unterschiedlichen Emissions-Zeitpunkten emittieren. Solange allerdings die Einstellung der Wellenlänge und die Steuerung der Emissions-Zeitpunkte bei den Mess-Lichtstrahlen in ähnlicher Weise erfolgt, können verschiedene Einrichtungen, wie beispielsweise eine Leuchtdiode, als eine Vielzahl der Lichtquellen zum Einsatz kommen.
Weiterhin umfassen bei den vorangehenden Ausführungsformen die Fotodetektoren Fotomultiplierröhren, die jeweils das gestreute Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen erfassen. Solange allerdings sowohl die Spektralempfindlichkeit als auch die -verstärkung ähnlich hoch sind, können verschiedene Einrichtungen, wie beispielsweise eine Lawinenfotodiode, eine Streifenkamera, eine fotoelektrische Röhre und eine Stift-Fotodiode verwendet werden.
Bei den vorangehenden Ausführungsformen ist ebenfalls die Anzahl der Arten von Wellenlängen, die in den Mess-Lichtstrahlen enthalten sind, welche ein streuendes Medium bestrahlen, auf einen Wert eingestellt, der um 1 größer ist als die Anzahl der Arten optischer Absorptionskomponenten, die in dem streuenden Medium enthalten sind. Wenn jedoch die Hintergrundabsorption innerhalb des streuenden Mediums so klein ist, dass sie vernachlässigt werden kann, kann die Anzahl der Arten von Wellenlängen, die in den Mess-Lichtstrahlen enthalten sind, auf einen Wert eingestellt werden, der mit der Anzahl von Arten der optischen Absorptionskomponenten übereinstimmt, die in dem streuenden Medium enthalten sind.
Weiterhin ist bei den vorangehenden Ausführungsformen das betreffende streuende Medium lebendes Gewebe. Verschiedene Arten anderer Substanzen können jedoch ebenfalls als streuendes Medium verwendet werden, solange sie optische Absorptionskomponenten mit Absorbanzwerten enthalten, die im Hinblick auf die Mess-Lichtstrahlen relativ hoch sind, welche von einer Vielzahl von Lichtquellen emittiert werden und sich voneinander unterscheiden.
Wie vorstehend genau erläutert worden ist, werden bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Mess-Lichtstrahlen, die unterschiedliche Wellenlängen haben und se quenziell zu unterschiedlichen Emissions-Zeitpunkten periodisch von einer Lichtquelle oder mehreren Lichtquellen emittiert werden, mit dem Strahlungs-Lichtleiter in das streuende Medium hineingestrahlt und, nachdem sie durch das streuende Medium diffus verteilt worden sind, in die Wellenlängenselektionseinheit gelenkt. Anschließend extrahiert die Wellenlängenselektionseinheit sequenziell und selektiv das gestreute Licht mit den vorgegebenen Wellenlängen. Selbst wenn das gestreute Licht, welches sequenziell von dem streuenden Medium emittiert wird, eine Impulsbreite hat, die infolge der zufälligen Streuung größer ist als zum Zeitpunkt des Auftreffens, und somit Lichtkomponenten enthält, die mit dem streuenden Medium vermischt sind, enthält dementsprechend das gestreute Licht, das sequenziell von der Wellenlängenselektionseinheit 90 emittiert wird, keine derartigen vermischten Lichtkomponenten.
Da es auch dann zu keiner Verschiebung der Grundlinie infolge der vermischten Lichtkomponenten in dem gestreuten Licht kommt, das sequenziell in die Fotodetektoreinheit eintritt, wenn das Intervall der Emissionszeitpunkte für die Mess-Lichtstrahlen in einem solchen Umfang verkürzt wird, dass das von dem streuenden Medium emittierte, gestreute Licht die vermischten Lichtkomponenten enthalten kann, kann im Ergebnis die Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes mit dem Signalverarbeitungssystem genau gemessen werden. Da das Signalverarbeitungssystem die Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes analysiert, das von der Fotodetektoreinheit gemessen wird, können folglich interne Informationen in dem streuenden Medium, wie beispielsweise dessen optische Streuungs- und optische Absorptionseigenschaften, genau berechnet werden.
Wenn die oben erwähnte Messung zu verschiedenen Zeiten wiederholt wird, während die Lichteintritts- und Lichtaustrittspositionen des streuenden Mediums festgelegt sind, lassen sich Veränderungen der einzelnen charakteristischen Werte bezüglich der optischen Streu- und optischen Absorptionseigenschaften im Verlaufe der Zeit erzielen. Wenn weiterhin die oben erwähnte Messung wiederholt wird, während die Lichteintritts- und Lichtaustrittsposition des streuenden Mediums abgetastet werden, kann man räumliche Verteilungen der verschiedenen charakteristischen Werte über die optischen Streu- und optischen Absorptionseigenschaften erhalten.
Da die Mess-Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen sequenziell zu verschiedenen Emissions-Zeitpunkten periodisch emittiert werden, wird die zum Messen der Zeitcharakteristik der Mess-Lichtstrahlen in Bezug auf das streuende Medium in Abhängigkeit von der Dauer des zu erfassenden gestreuten Lichtes bei jeder Wellenlänge der Mess-Lichtstrahlen festgelegt, wodurch die Einschränkungen bezüglich der Anzahl von Wellenlängen, die in den Mess-Lichtstrahlen eingestellt werden, gelockert werden. Da die Wellenlängenselektionseinheit nur eine einzige Lichtkomponente mit einer vorgegebenen Wellenlänge aus dem Licht extrahiert, in dem die Mess-Lichtstrahlen unterschiedliche Wellenlängen haben, die innerhalb des Mediums miteinander vermischt sind, hat die Emissionsfrequenz für jede Wellenlänge der Mess-Lichtstrahlen einen oberen Grenzwert, der über dem Herkömmlichen liegt. Dementsprechend ist es bei der erfindungsgemäßen Messvorrichtung unnötig, die Emissions-Zeitpunkte für die Mess-Lichtstrahlen so zu gestalten, dass ein großes Intervall vorhanden ist, damit das von dem streuenden Medium emittierte gestreute Licht keine vermischten Lichtkomponenten enthält. Daher kann im Vergleich zu den konventionellen Verfahren die zum Messen der Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes im Hinblick auf das streuende Medium erforderliche Zeit wesentlich verkürzt werden.
Aus der somit beschriebenen Erfindung wird deutlich, dass die Erfindung in vielerlei Weise verändert werden kann. Derartige Veränderungen werden nicht als Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung betrachtet und sämtliche Modifizierungen, die für Fachleute auf der Hand liegen, fallen in den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche.

Claims

Messvorrichtung für interne Informationen in einem streuenden Medium (10), die umfasst: eine Lichtquelle (40₁ , 40₂ , ... 40_n ), die eine Vielzahl von Mess-Lichtstrahlen mit einer Vielzahl von Wellenlängen emittiert, die sich voneinander unterscheiden; einen Strahlungs-Lichtleiter (50), der bewirkt, dass die Mess-Lichtstrahlen auf das streuende Medium auftreffen; eine Wellenlängenselektionseinheit (90), die selektiv gestreutes Licht mit einer einzelnen Wellenlänge aus gestreutem Licht extrahiert, das den Mess-Lichtstrahlen entspricht, die streuend durch das streuende Medium weitergeleitet worden sind; eine Fotodetektoreinheit (100), die eine Zeitcharakteristik des gestreuten Lichtes misst, das durch die Wellenlängenselektionseinheit extrahiert worden ist; und ein Signalverarbeitungssystem (1b), das die Lichtquelle (40₁ , 40₂ , ... 40_n ) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass: das Signalverarbeitungssystem (1b) die Lichtquelle (40₁ , 40₂ , ... 40_n ) so steuert, dass sie die Mess-Lichtstrahlen jeweils mit voneinander verschiedenen Emissions-Zeitpunkten sequenziell auf das streuende Medium (10) auftreffen lässt; und das Signalverarbeitungssystem (1b) die Wellenlängenselektionseinheit (90) oder den Fotodetektor (100) synchronisiert mit der Lichtquelle (40₁ , 40₂ , ... 40_n ) so steuert, dass eine entsprechende Wellenlänge von Licht selektiert wird, das von der Lichtquelle emittiert wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wellenlängenselektionseinheit einen akusto-optischen Modulator umfasst und der akusto-optische Modulator eine Ultraschallwelle auf Basis eines Steuersignals erzeugt, das von dem Signalverarbeitungssystem ausgegeben wird, und eine Wellenlänge der Ultraschallwelle synchron zu dem Emissionszeitpunkt des Mess-Lichtstrahls so ändert, dass das gestreute Licht um einen Ablenkungswinkel gebeugt wird, der einem Verhältnis der Wellenlänge des gestreuten Lichtes zu der der Ultraschallwelle entspricht; und die Fotodetektoreinheit einen Fotodetektor umfasst und der Fotodetektor auf Basis eines Steuersignals, das von dem Signalverarbeitungssystem ausgegeben wird, Erfassung des gestreuten Lichtes, das durch den akusto-optischen Modulator um den vorgegebenen Ablenkungswinkel gebeugt worden ist, und dann Umwandlung des so erfassten gestreuten Lichtes durchführt, um eine zeitaufgelöste Messung zu bewirken.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wellenlängenselektionseinheit eine Vielzahl dichroitischer Spiegel umfasst und die dichroitischen Spiegel in Reihe auf einem Lichtweg des gestreuten Lichtes angeordnet sind, das von dem streuenden Medium zu der Fotodetektoreinheit geleitet wird, so dass Schwellen-Wellenlängen derselben jeweils zwischen benachbarten Wellenlängen des gestreuten Lichtes positioniert und in aufsteigender bzw. absteigender Reihenfolge eingestellt sind; und die Fotodetektoreinheit eine Vielzahl von Interferenzfiltern und eine Vielzahl von Fotodetektoren umfasst, wobei die Interferenzfilter jeweils Durchlass-Mittenwellenlängen haben, die mit Wellenlängen des gestreuten Lichtes zusammenfallen, das in die Interferenzfilter von den dichroitischen Spiegeln eintritt, während die Fotodetektoren jeweils auf Basis eines Steuersignals, das von dem Signalverarbeitungssystem ausgegeben wird, Erfassung des gestreuten Lichtes, das in die Fotodetektoren von den Interferenzfiltern eintritt, und anschließend Umwandlung des so erfassten gestreuten Lichtes durchführen, um eine zeitaufgelöste Messung zu bewirken.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, die des Weiteren umfasst: einen Erfassungs-Lichtleiter (60), der das gestreute Licht, das streuend durch das streuende Medium weitergeleitet worden ist, zu der Wellenlängenselektionseinheit leitet; und einen Lichtformer (70), der optisch mit dem Erfassungs-Lichtleiter verbunden ist und das gestreute Licht bündelt, so dass es zu der Wellenlängenselektionseinheit geleitet wird.
Messvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Gruppe von Lichtquellen ist, die jeweils auf Basis eines Steuersignals, das von dem Signalverarbeitungssystem ausgegeben wird, die Mess-Lichtstrahlen emittieren, die eine Vielzahl von Wellenlängen haben, deren Anzahl nicht kleiner ist als die der Typen lichtabsorbierender Komponenten, die in dem streuenden Medium enthalten sind und die Absorptionskoeffizienten haben, die sich voneinander in Bezug auf die lichtabsorbierenden Komponenten unterscheiden.